Учебно-исследовательская работа " Уникальные свойства воды". Свойства горячей и холодной воды

Свойства холодной и горячей воды.

I. Введение

Я, Дегтярева Алёна, ученица 3 класса. Мне 8 лет.

Мы живем в частном доме, но у нас есть холодная и горячая вода. В отличие от городской квартиры, для нас проблемой стал расход воды – в частном доме расход воды оказался больше. Когда я мою посуду, купаюсь в ванной, папа мне всегда говорит: «Не лей много воды». Но я не могу быстро настроить теплую воду в кране, мне приходится сливать много воды впустую. Тогда между родителями возник спор: папа говорит, что первым надо открывать

горячую воду, а мама – что никакой разницы нет, просто я не умею быстро настроить воду.

Гипотеза: если первым открывать кран с горячей водой, то можно уменьшить расход воды.

Цель: исследовать свойства холодной и горячей воды.

Задачи:

1. изучить научную информацию по теме в различных источниках;

2. провести опыты, наблюдения;

3. сделать выводы.

Объект исследования: вода.

Предмет исследования: свойства холодной и горячей воды.

Метод: исследовательский.

Приём: наблюдение, изучение научной литературы.

Предполагаемый результат исследования: я знаю, какую воду надо открывать в кране первой, чтобы быстрее навести теплую воду, таким образом, учусь экономить воду.

II. Свойства воды.

Вода – это прозрачная бесцветная жидкость, не имеющая запаха, расширяющаяся при нагревании и сжимающаяся при охлаждении, способная растворять многие вещества. [1]

Основные свойства воды [2]:

1.ПрозрачностьСвойство прозрачности воды используется человеком очень широко: например, аквариумы с диковинными рыбками и водорослями, бассейны и фонтаны с красивым дизайном дна и стен.

2. Отсутствие запаха

Чистая вода не имеет запаха. Можно понюхать и убедиться в этом.

3. Способность растворять вещества

Вода может растворять разные вещества. Если в пробирку насыпать измельченный мел, то вода станет мутной, так как мел растворился в воде. Но вода способна растворить не все вещества. Если влить в пробирку с водой растительное масло, оно не смешается с водой, а будет плавать на ее поверхности.

4. Три состояния воды

Вода – единственное вещество на Земле, которое существует сразу в разных состояниях: вода может быть жидкой, при охлаждении переходит в твердое состояние – лед, а при нагревании превращается из жидкости в пар.

5. Способность расширяться и сжиматься

Вода расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Это свойство используется в термометре. Определенный объем горячей воды весит немного меньше, чем тот же объем холодной воды, так как расстояние между молекулами горячей воды больше, а значит число молекул меньше. Поэтому, горяча вода менее плотная, чем холодная.

6. Движение частиц воды

Вода течет. Например: если вылить ее на плоский поднос – она растекается в лужу. Происходит это потому, что вода состоит из невидимых частиц – так называемых молекул, которые движутся.

III. Собственное исследование

3.1. Эксперимент №1

Исходя из 5, 6 свойств воды, указанных нами выше, можем предположить, что горячая вода течет быстрее, чем холодная, так как молекулы горячей воды при нагревании расширяются, и будут двигаться быстрее.Проведем эксперимент, для которого нам понадобятся: два одноразовых стаканчика стакана, иголка, два стеклянных стакана, вода, кубики льда. (Приложение №1)

1. В середине донышка двух одноразовых стаканов протыкаем иголкой крошечные отверстия одинакового размера (Приложение №1, фотография 1). Ставим бумажные стаканчики в стеклянные бокалы.

2. Наливаем полстакана очень холодной воды в один стаканчик. Чтобы вода действительно была холодной, добавляем несколько кубиков льда. (Приложение №1, фотография 2,3).

3. Наливаем полстакана горячей воды в другой одноразовый стаканчик. Наблюдаем, как вода капает из одноразовых стаканчиков в стеклянные.

Вывод: мы видим, что холодная и горячая вода вытекают из стакнчиков одинаково. (Приложение №1, фотография 4). Значит, скорость течения воды не зависит от того, горячая или холодная она.

3.2. Эксперимент №2

После того, как мы поняли, что температура воды не влияет на скорость течения, вторым шагом нашего эксперимента мы решили проверить, что произойдет с частицами горячей и холодной воды, если их смешать? Какая вода проникнет в другую быстрее?

Нам понадобились: две чистые банки одного размера, цветные краски – красный и синий, картонка размером с горлышко банки, вода, противень и (обязательно!!!) взрослый человек.

1. Смешиваем холодную воду и несколько капель синей краски в банке. (Приложение №2, фотография 1,2).

2. Просим взрослых вскипятить немного воды и наполнить горячей водой банку. Добавляем несколько капель красного цвета во вторую банку (Приложение №2, фотография 3,4).

3.Аккуратно накрываем картонкой первую банку. Поднимаем банку №1. Переворачиваем ее вверх дном. Ставим на банку №2. Картонка должна лежать плашмя, чтобы вода не выливалась. Придерживать картонку рукой не нужно, вода сама удержит ее на месте. (Приложение №2, фотография 5,6).

5. Соединяем горлышки обеих банок. Придерживаем обе банки и осторожно и медленно вытягиваем картонку. (Приложение №2, фотография 7,8).

Вывод: синяя холодная вода опустилась в банку с горячей водой, при этом она смешалась и стала фиолетового цвета. Значит, холодная вода легко проникает в горячую воду.

3.3. Эксперимент №3

Сливаем воду из обеих банок. Ополаскиваем их. Повторяем шаги с 1 по 5, но ставим банку с холодной водой снизу, а картонкой накрываем банку с красной горячей водой. Переворачиваем банку с горячей водой вверх дном и ставим ее на банку с холодной водой. (Приложение №3, фотография 1,2,3,4).

Вывод: Смешения не происходит. Горячая вода остается на месте! Мы подтвердили закон, что плотность горячей воды меньше, чем холодной, поэтому ей сложнее проникнуть в холодную. Но нам стало интересно, действительно ли одинаковый объем горячей воды легче, чем холодный?

3.4. Эксперимент №4

Мы взяли банку объемом 580 мл. Вес пустой банки – 339 грамм. (Приложение №4, фотография 1).Сначала налили в банку холодную воду. Вес банки с холодной водой – 548 грамм. (Приложение №4, фотография 2). Потом мы наполнили эту же банку горячей водой. Вес банки с горячей водой составил 528 грамм.

Вывод: определенный объем горячей воды весит немного меньше, чем тот же объем холодной воды.

IV. Заключение

Из проведенных нами экспериментов можно сделать выводы, что:

1. температура воды не влияет на скорость её течения, холодная и горячая вода бегут с одинаковой скоростью;

2. холодная вода быстрее смешивается с горячей водой;

3. плотность и вес у холодной воды больше, чем у горячей, поэтому ей легче проникнуть в горячую воду. Значит, наша гипотеза доказана. Если я первым буду открывать кран с горячей водой, а потом холодную воду, то я быстрее получу теплую воду, расход воды же у меня будет меньше.

svetdektyreva.blogspot.ru

То, что вы не знали о воде (непознанное)

Свойства воды не перестают удивлять ученых. Вода — довольно простое вещество с химической точки зрения, однако при этом она обладает рядом необычных свойств, которые не перестают удивлять ученых. Ниже предложены несколько фактов, о которых мало кто знает.

1. Какая вода замерзает быстрее — холодная или горячая?

Возьмем две емкости с водой: в одну нальем горячую, а в другую - холодную воду, и поместим их в морозильную камеру. Горячая вода замерзнет быстрее холодной, хотя по логике вещей, первой должна была превратиться в лед холодная вода: ведь горячей воде надо сначала остыть до температуры холодной, а потом уже превращаться в лед, в то время как холодной воде остывать не надо. Почему же так происходит?

В 1963 году один танзанский студент по имени Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba) замораживая приготовленную смесь для мороженого, заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним. К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.

Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.

Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.

2. Она способна замерзать мгновенно

Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C … за исключением некоторых случаев! Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания. Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.

Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.

Заметьте, что «сверхнагретая» вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.

3. 19 состояний воды

Не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды? Если вы ответили три: твердое, жидкое, газообразное, то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.

Помните разговор про сверхохлажденную воду? Так вот, что бы вы ни делали, при температуре -38 °C даже самая чистая сверхохлажденная вода внезапно превратится в лед. Что же произойдет при дальнейшем понижении температуры? При -120 °C с водой начинает происходить что-то странное: она становится сверхвязкой или тягучей, как патока, а при температуре ниже -135 °C она превращается в «стеклянную» или «стекловидную» воду – твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.

4. Вода удивляет физиков

На молекулярном уровне вода удивляет ещё больше. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, «видят» на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.

Оказалось, что на скорости одной аттосекунды (10 -18 секунд) имеет место необычный квантовый эффект, и химическая формула воды вместо h3O, становится h2.5O!

5. Память воды

Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды. Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием «память воды», согласно которой вода на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.

Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen’s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию. Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта «памяти воды». Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена «памяти воды» продолжаются.

Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в этой статье. Например, плотность воды меняется в зависимости от температуры (плотность льда меньше плотности воды)

вода обладает довольно большой величиной поверхностного натяжения

в жидком состоянии вода представляет собой сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров, и именно поведение кластеров влияет на структуру воды и т.д.

Об этих и о многих других неожиданных особенностях воды можно прочитать в статье «Аномальные свойства воды», автором которой является Мартин Чаплин, профессор Лондонского университета.

relax.wild-mistress.ru

Учебно-исследовательская работа " Уникальные свойства воды"

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Сергачская средняя общеобразовательная школа № 4»

Учебно - исследовательская работа

Уникальные свойства воды

Авторы:

Баранова Анастасия,

Лаптева Алёна,

обучающиеся 4 класса

Руководитель:

Лохина Елена Анатольевна,

учитель начальных классов

Сергач

2017

Содержание

1.Введение ………………………………………………………….. 3

2.Цель, задачи, методы исследования ………… ………………… 3

3.Актуальность………………………………………………………… 3

4.Практическая работа ,,,,..…………………………………………... 4

5.Заключение…………………………………………………………... 9

6.Литература …………………………………………………………. 9

1.Введение

Вода – мать полей, а без матери не проживешь. (Китайская пословица)

Общеизвестно, что жизнь на планете Земля возникла благодаря наличию воды. В воде зародилась жизнь, вышла из нее, постепенно заселив сушу и воздух.

2.Цель исследования

 исследовать уникальные свойства воды.

Задачи

 найти информацию в различных источниках

 провести опыты, наблюдения

 сделать выводы

Методы исследования

Сбор информации
Анкетирование
Анализ результатов

3.Актуальность темы

обусловлена тем, что изучая “Окружающий мир” мы обратили внимание на состояние нашей экологии, и в частности воду. Вода является источником живого организма. Задача человека использовать воду и ее свойства в свое благо, не создавая проблем в водной экосистеме.

4. Практическая работа

Результаты опроса:

1. Какую воду Вы пьете?

Из под крана – 47 %
Кипячёную – 42 %
Покупаем в магазине - 11 %

2. Как Вы экономите воду дома?

- Слежу затем, чтобы не оставались открытыми краны когда вода не используется.
- Мама экономит воду во время стирки и мытья посуды.

3. Знаете ли Вы экологическую обстановку в городе?

Ответ - Да.

4. Из каких источников Вы узнаете о свойствах воды?

На уроках в школе
Из средств массовой информации
От родителей, друзей

Характеристика основных свойств воды

Прозрачность Свойство прозрачности воды можно доказать, положив картинку в тарелку в водой. Мы легко увидим через воду изображение на картинке. Свойство прозрачности воды используется человеком очень широко: например, аквариумы с диковинными рыбками и водорослями, бассейны и фонтаны с красивым дизайном дна и стен.

Отсутствие запаха

Чистая вода не имеет запаха. Можно понюхать и убедиться в этом.

Способность растворять вещества

Если в пробирку насыпать измельченный мел, то вода станет мутной, так как мел растворился в воде. Именно поэтому невозможно встретить в природе "чистую" воду, то есть воду, в которой не растворены какие-либо вещества. Воду можно очистить с помощью фильтра. Если положить в воронку бумажную салфетку или вату и пропустить через нее воду, в которой растворен мел, то можно увидеть, что вода стала более чистой. Если сделать это еще несколько раз, вода станет совсем прозрачной. Но вода способна растворить не все вещества. Если влить в пробирку с водой растительное масло, оно не смешается с водой, а будет плавать на ее поверхности.

Способность расширяться и сжиматься

Вода расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Это свойство используется в термометре.

Три состояния воды

Движение частиц воды

Вода течет. Например: если вылить ее на плоский поднос – она растекается в лужу.

Происходит это потому, что вода состоит из невидимых частиц – так называемых молекул, которые движутся.Сделаем предположение, или говоря научным языком: выдвинем гипотезу, что горячая вода течет быстрее, чем холодная.Проведем эксперимент, для которого нам понадобятся два бумажных стакана, булавка, два стеклянных стакана, вода, кубики льда.

Проведение эксперимента:

1. В середине донышка двух бумажных стаканов протыкаем булавкой крошечные отверстия одинакового размера .Ставим бумажные стаканчики в стеклянные.

2. Наливаем полстакана очень холодной воды в один бумажный стаканчик. Чтобы вода действительно была холодной, добавляем несколько кубиков льда .

3. Наливаем полстакана горячей воды в другой бумажный стаканчик . Наблюдаем как вода капает из бумажных стаканчиков в стеклянные.

Мы видим, что горячая вода капает быстрее, чем холодная .

Из проведенного эксперимента можно сделать вывод, что в горячей воде молекулы движутся быстрее, чем в холодной. Чем быстрее они движутся, тем легче им проскользнуть друг мимо друга.

Особенности смешивания горячей и холодной воды

Мы узнали, что вода состоит из невидимых частиц – молекул, которые движутся, и что молекулы горячей воды движутся быстрее, чем молекулы холодной. Что произойдет с частицами горячей и холодной воды, если их смешать? Предположим, что они сразу легко смешаются, проникая, в свободное пространство друг друга. Это и будет нашей новой гипотезой, для подтверждения которой проведем еще один эксперимент.Нам понадобятся: две чистые банки одного размера, пищевые красители – красный и синий, картонка размером с горлышко банки, вода, раковина, друг.

Проведение эксперимента:

1. Смешиваем холодную воду и несколько капель синего пищевого красителя в банке 1. Медленно добавляем воду, пока круги на воде не достигнут края горлышка банки .

2. Просим взрослых вскипятить немного воды и наполнить горячей водой банку 2. Добавляем несколько капель красного красителя во вторую банку

3.Аккуратно накрываем картонкой первую банку .

4. Дальнейшая часть эксперимента посложнее.

Поднимаем банку 1. Переворачиваем ее вверх дном. Ставим на банку 2. Картонка должна лежать плашмя, чтобы вода не выливалась. Придерживать картонку рукой не нужно, вода сама удержит ее на месте .

5. Соединяем горлышки обеих банок. Просим друга придержать обе банки и осторожно и медленно вытягиваем картонку .

Красная горячая вода поднимается в банку с холодной водой, при этом она смешивается с холодной водой и становится фиолетового цвета.

6.Сливаем воду из обеих банок. Ополаскиваем их. Повторяем шаги с 1 по 5, но ставим банку с холодной водой в раковину, а картонкой накрываем банку с красной горячей водой. Переворачиваем банку с горячей водой вверх дном и ставим ее на банку с холодной водой.

Смешения не происходит. Горячей воде не нужно подниматься – она и так сверху. Горячая вода остается на месте.

Из проведенного эксперимента можно сделать вывод, что:

– холодная вода тяжелее горячей;– холодная вода опускается на дно, выталкивая горячую воду наверх тонкой струйкой;– при нагревании воды ее молекулы начинают двигаться все быстрее и быстрее, они сталкиваются друг с другом и разлетаются в стороны;– определенный объем горячей воды весит немного меньше, чем тот же объем холодной воды, так как расстояние между молекулами горячей воды больше, а значит число молекул меньше. Поэтому, горячая вода менее плотная, чем холодная;– при объединении двух банок, когда банка с горячей водой находится снизу, горячая вода поднимается вверх;– при этом она смешивается с холодной водой и становится фиолетового цвета;– если снизу находится банка с холодной водой, смешения не происходит. Горячей воде не нужно подниматься – она и так сверху.

Эту особенность воды мы заметили, когда попыталась добавить в горячий чай холодную воду.

Сделав глоток, мы почувствовали, что чай остался очень горячим. Как оказалось – добавленная мною холодная вода была на дне кружки, а на ее поверхности – горячий чай. Точь-в-точь, как в нашем опыте!

5.Заключение

Знание о свойствах воды, описанных в данной работе, позволяет нам более умело использовать их в повседневной жизни: приготовлении пищи, гигиенических процедурах, уборке дома, приеме лекарств и так далее.Современная наука продолжает изучать и находит новые свойства воды.

6.Список использованных источников

Мир вокруг нас. Учеб. Для 3 кл. нач. шк. В 2 ч. Ч.1 / А.А.Плешаков. – 6-е изд. – М.: Просвещение, 2007. – с.49-61.
Энциклопедия для детей: Т.3 (География).– Сост. С.Т.Исмаилова. – М.: Аванта+, 1994. – с.377-391.

infourok.ru

Эффект Мпембы или почему горячая вода замерзает быстрее холодной?

Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.

Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое - вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: "Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом - 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?" Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале "Physics Education". С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.

До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах.

Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.

Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько объяснений эффекта Мпембы:

Испарение

Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100 С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0 С.

Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, снижается температура из-за того, что уменьшается теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара.

Разница температур

Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше - следовательно теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.

Переохлаждение

Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20 С.

Причина этому эффекту в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд.

Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда.

Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается происходит следующее. В этом случае тонкий слой льда будет образовываться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор между водой и холодным воздухом и будет препятствовать дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх.

Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда.

Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.

Конвекция

Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.

Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4 С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее.

В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры.

Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С.

Однако, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.

Растворённые в воде газы

Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.

Теплопроводность

Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.

Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос - какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы - так и не было получено.

Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание.

Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли.

Утверждать пока можно только одно - воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.

О. В. Мосин

Литературные источники:

"Hot water freezes faster than cold water. Why does it do so?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.

"The Freezing of Hot and Cold Water", G.S. Kell in American Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, in American Journal of Physics, Vol. 63, No. 10, pp 882-885; Oct, 1995.

"The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water", Charles A. Knight, in American Journal of Physics, Vol. 64, No. 5, p 524; May, 1996.

"The Final Word", New Scientist, 2nd December 1995.

www.o8ode.ru

Эффект Мпембы - Мастерок.жж.рф

В 1963 году школьник из Танзании по имени Эрасто Мпемба задал своему учителю глупый вопрос — почему в его морозилке теплое мороженое замерзает быстрее, чем холодное?

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое – вскипятить молоко, растворить в нём сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник ещё горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы». После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой.

Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: «Если взять два одинаковых контейнера с равными объёмами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом – 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?» Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале «Physics Education». С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.

Вам интересно узнать почему так происходит ? Буквально несколько лет назад ученым удалось объяснить данное явление …

Водородные связи O:H-O в кристалле льда. (Рисунок из arXiv:1310.6514v1 [physics.chem-ph])

Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) – парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.

Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт. До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах. Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен ещё Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.

С тех пор высказывались разные версии, одна из которых звучала следующим образом: часть горячей воды сначала просто испаряется, а потом, когда осталось меньшее её количество, вода застывает быстрее. Эта версия, в силу своей простоты, стала самой популярной, но учёных удовлетворяла не полностью.

Ныне команда исследователей из Технологического университета Наньян в Сингапуре (Nanyang Technological University) во главе с химиком Си Чжаном (Xi Zhang) заявила, что им удалось разрешить вековую загадку о том, почему тёплая вода застывает быстрее, чем холодная. Как выяснили китайские специалисты, секрет кроется в количестве энергии, запасённой в водородных связях между молекулами воды.

Как известно, молекулы воды состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода, удерживаемых вместе ковалентными связями, что на уровне частиц выглядит как обмен электронами. Другой известный факт заключается в том, что атомы водорода притягиваются к атомам кислорода из соседних молекул — при этом образуются водородные связи.

В это же время молекулы воды в целом отталкиваются друг от друга. Учёные из Сингапура заметили: чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды − молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии, как известно, и означает охлаждение.

Вот какие предположения выдвигаются учеными:

Испарение

Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100°С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0°С. Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, из-за испарения понижается её температура.

Разница температур

Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше – следовательно, теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.

Переохлаждение

Когда вода охлаждается ниже 0°С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20°С. Причина этого эффекта в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда, нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд. Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда. Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается, происходит следующее: на её поверхности образуется тонкий слой льда, который действует как изолятор между водой и холодным воздухом, и тем самым препятствует дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх. Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда. Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.

Конвекция

Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Если охладить воду до 4°С и поместить её в среду с более низкой температурой, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4°С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4°С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее. В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстро за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодные слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры. Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4°С. Однако нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.

Растворённые в воде газы

Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше, и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.

Теплопроводность

Этот механизм может играть существенную роль, когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег. Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос – какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы – так и не было получено. Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлаждённого состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание. Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при её кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли. Утверждать пока можно только одно – воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.

А вот как говорят, наиболее вероятная причина.

Как пишут химики в своей статье, которую можно найти на сайте препринтов arXiv.org, в горячей воде водородные связи натягиваются сильнее, чем в холодной. Таким образом, оказывается, что в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, а значит, её высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. По этой причине застывание происходит быстрее.

На сегодняшний день учёные разгадали эту загадку лишь теоретически. Когда они представят убедительные доказательства своей версии, то вопрос о том, почему горячая вода застывает быстрее холодной, можно будет считать закрытым.

Давайте я вам еще напомню, что такое Ледяной палец смерти, а так же что такое Эффект прыгающей капли и очень эффектная Капля «принца Руперта»

masterok.livejournal.com