Эффект Мпембы. Миф или реальность?

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научно-исследовательская работа

Эффект Мпембы. Миф или реальность?

Яна Анатольевна Галиченко

Екатерина Константиновна Харламова

Даниил АлексеевичКарпюк

Варвара Андреевна Сухарева

Научный руководитель: Дмитрий Анатольевич Ханин

Москва 2019

Суть работы:

Эффект Мпембы заключается в том, что в некоторых случаях горячая вода может замёрзнуть быстрее холодной, при этом в процессе замерзания она должна пройти температуру холодной воды. Что значит "в некоторых случаях"? Это значит, что мы должны учесть: равенство объемов (масс) жидкостей; одинаковые емкости для эксперимента; одинаковый теплообмен между ёмкостями с горячей и холодной водой и морозильной; интенсивное испарение горячей воды.

Цель исследования:

Оправдать или опровергнуть эффект Мпембы. Так же рассмотреть все случаи, при которых горячая вода догонит холодную в процессе замерзания.

Вода... самое-самое вещество. Самое распространённое, самое необходимое, самое часто упоминаемое, самое сказочное и мистическое... И этот список можно продолжать ещё очень долго. Кажется, что мы знаем о ней всё. Физические константы, химические свойства, биологическую роль этого вещества мы запоминаем уже только потому, что это вода. Но и в квартире, в которой ты прожил всю жизнь, где знаешь каждый уголок, встречаются потайные места и находятся раньше неизвестные предметы. Так и для воды находятся неизвестные интересные факты. И хотя не всегда они имеют отношение к науке, но тем не менее являются почвой для научных исследований и гипотез. В нашем случае почвой для возникновения идеи исследовательской работы послужили сведения об Эффекте Мпембы. На первый взгляд это явление выглядит неправдоподобным, но большое количество свидетельств и экспериментов говорит об обратном. Мы решили разобраться в том, существует ли этот эффект на самом деле и где именно этот эффект будет наблюдаться.

При подготовке к работе мы выделили три ключевых, на наш взгляд, момента в определении эффекта, которые должны направить нашу экспериментальную работу в правильное русло. По порядку.

Однажды один мальчик по имени Эрасто готовился к приходу гостей. Специально к приходу гостей решил приготовить мороженое, но не рассчитал время и, чтобы ускорить процесс приготовления, засунул мороженое в морозилку, не дав ему остыть до комнатной температуры. После чего он обнаружил эффект, который назвали в честь него "Эффект Мпемба".

Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) - парадокс, который гласит, что горячая вода(1) при некоторых условиях(2) замерзает(3) быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания.

1. Вода и жидкость - разные вещи. Если у Мпембы получился эксперимент со смесью для мороженного, это не означает, что для воды и других жидкостей это выполняется. Поэтому наша задача попробовать в качестве экспериментальных образцов различные жидкости. Мы собираемся взять дистиллированную воду, минеральную воду, спиртовой раствор, соляной раствор, сливки. Данный выбор жидкостей объясняется тем, что мы хотим максимально широко проверить наличие Эффекта Мпембы. Поэтому мы берём различные жидкости: чистое вещество (вода), растворы (вода-спирт, вода-соль, минеральная вода), эмульсию (сливки, которые представляют гетерогенную смесь).Cвой раздел с таблицами и графиками.

2. Формулировка "некоторые условия" очень неопределённая. В любом случае, условия должны быть одинаковыми для двух ёмкостей с горячей и холодной водой. Иначе говорить о наличии какого-либо эффекта некорректно. Предположим, что Мпемба ставил контейнеры со своей смесью в бытовой холодильник, на котором был слой снега. Тогда стакан с горячей водой "проплавлял" слой снега и касался напрямую дна морозильной камеры. В таком случае условия для двух стаканов были бы неодинаковыми. Другой пример: взяты жидкости разной массы. И, если разница в массах существенная, то горячая замёрзнет быстрее и никакого эффекта здесь наблюдаться не будет, поскольку жидкость меньшей массы замерзает быстрее. Такие эксперименты не могут считаться примерами, подтверждающими Эффект Мпембы. Это будет следствием неодинаковых условий проведения опыта для двух сравниваемых образцов. Примером "определённых условий" может служить следующий опыт. (Он чисто гипотетический. И служит только для пояснения того, что можно считать "определёнными условиями", а что нет).

Предположим, что две жидкости, охлаждающиеся в одинаковых условиях, имеют температуры 35 и 95 градусов. Пусть этом случае, при охлаждении при постоянной внешней температуре - 20 градусов, горячая вода не замёрзнет быстрее и кривая зависимости температуры от времени для горячей жидкости не "догонит" кривую для холодной жидкости. Но, предположим, что мы, охлаждая, жидкости при постоянной внешней температуре -40 получили результат, что горячая жидкость замёрзнет быстрее и кривые пересекутся. Или же мы возьмём две жидкости с начальными температурами 25 и 50 градусов (те разницах между температурами меньше, чем в первом случае) и также получим, что горячая жидкость замёрзла быстрее. Тогда для двух последний опытов мы будем иметь основания утверждать, что именно определенная разница температур или определённая температура охлаждения являются "определёнными условиями", при которых Эффект Мпембы обнаруживается. К возможным "определенным условиям" мы также можем отнести форму ёмкости и массу жидкости. Поэтому наша задача - сделать как можно больше экспериментов, изменяя условия проведения опыта. При этом мы должны таким образом построить эксперименты, чтобы образцы с горячей и холодной жидкостью в находились в одинаковых условиях. Учитывая всё вышеперечисленное, мы в своей работе проведем опыты:

а) используя специальные пластмассовые подставки для емкостей, чтобы охлаждение жидкости осуществлялось через воздух морозильной камеры;

б) при разных начальных температурах горячей и холодной жидкости;

в) при разной внешней температуре, при которой происходит охлаждение (используя различные морозильные камеры);

г) для разной массы жидкости.

Также мы должны учитывать то, что испарение горячей жидкости будет гораздо интенсивнее и возможна убыль массы в емкости с горячей водой. Поэтому проводить опыты мы будем с емкостями, накрытыми крышками, чтобы исключить возможность значительной убыли массы в результате испарения.

3. "Замерзает". Что считать "замерзанием"? Мы считаем, что вполне достаточно будет при помощи термометров определять температуру жидкости до температуры, которая будет немного ниже температуры кристаллизации.

В ходе нашей работы мы использовали самодельную установку, крышку к ней, пластмассовые стаканы. (смотреть приложение №1,2)

Различные вещества: вода дистиллированная, вода минеральная, соль пищевая, спирт,10 % сливки.

Мы использовали именно различные жидкости, а не только воду, потому что хотели проверить Эффект Мпембы в других веществах с различной плотностью и различной температурой кипения

Приборы: термометры Hanna, сушильный шкаф Binoer, морозильные камеры Weiss.(смотреть приложение №3,4,5)

С каждым веществом мы проделали один алгоритм .(смотреть приложение №6,7)

Все начинается с подготовки жидкости.

Далее жидкость в стаканчике помещалась в сушильный шкаф и нагревалась до температуры, показанной на графике.

После этого мы ставили в морозильную камеру на подставку два стакана с жидкостями, один из них был комнатной температуры, а другой был из духового шкафа. Температуру, до которой мы нагревали наши вещества, вы сможете увидеть на наших графиках.(смотреть приложение №8)

После этого мы засекали время и проводили измерения.

Фиксировали результаты с интервалом в 1 минуту, 3 минуты и 5 минут.

По графикам мы можем проверить наличие Эффекта Мпембы. Мы предполагаем, что при соблюдении всех вышеперечисленных условий, Эффект Мпембы не может возникнуть, так как мы учли факторы, при которых могут возникнуть условия неодинакового проведения эксперимента для двух образцов жидкости. Это мы и видим на графиках. Но возникает вопрос: если мы соблюдали все условия, чтобы эксперимент был одинаковым для двух жидкостей, возможно ли такая ситуация, когда при различных температурах одинаковых жидкостей будут возникать факторы, которые способны объяснить возникновение Эффекта Мпембы. Поскольку в определении эффекта речь идёт о воде и водных растворах, мы обратили внимание на водородные связи между молекулами.

Возможным объяснением с нашей точки зрения может являться следующий процесс. При кристаллизации молекулы воды выстраиваются в виде шестиугольников, соединённых между собой.

Для этого молекулы должны преодолеть силу водородных связей. При высокой температуре общее число водородных связей между молекулами меньше, чем при более низкой температуре. Поэтому переход молекул воды при резком охлаждении в кристаллическое состояние в более горячей жидкости может произойти быстрее, чем в холодной жидкости. Это предположение могло бы объяснить наличие Эффекта Мпембы. Поскольку мы не располагаем приборами, с помощью которых мы сможем исследовать структуру наших опытных жидкостей, мы решили сделать следующее. На построенных графиках зависимости температуры от времени мы будем отмечать время за которое холодная вода достигла температуры кристаллизации. Далее для горячей воды по графику мы найдем время от начальной температуры холодной воды до кристаллизации. Затем мы сравним эти два значения. Если они равны, значит, что процесс охлаждения идёт одинаково для двух жидкостей в достаточно большом температурном интервале, близком к температуре кристаллизации. Это говорит о том, что обе жидкости идентичны не только по составу, условиям и массе, но и по энергии водородных связей. В случае различной энергии водородных связей, это привело бы к различному времени охлаждения до температуры кристаллизации. Результаты этого опыта говорят о том, что время до начала кристаллизации для двух жидкостей, изначально имевших разные температуры, одинаково (в рамках погрешности эксперимента). Поэтому мы делаем вывод, что для Эффекта Мпембы нет никаких предпосылок с точки зрения влияния зависимости энергии водородных связей от температуры.

Для фиксирования процесса и результатов мы применяли фотоаппарат и штатив.

Вода минеральная, t морозильной камеры= -18*С, mH2O=59г, t=3минуты (график №1)

Вода минеральная, tморозильной камеры= -18*С, mH2O=80.72г,t=5 минут (график №2)

Вода дистиллированная, tморозильной камеры= -40*С,mH2O=70.04г, t=3минуты. (график№3)

Соляной раствор, tморозильной камеры= -40*С, mNaCl= 100г(10г соли на 90г воды),t=3 минуты. (график№4)

Соляной раствор, t морозильной камеры= -40*С, m NaCl= 100г(10г соли на 90г воды), t=3 минуты. (график №5)

Сливки, tморозильной камеры= - 40*С, m сливок=74.76г, t=3 минуты (график №6)

Спирт, t морозильной камеры= -40*С, m C2H6O= 61.3г, t=3 минуты (график №7)

В ходе эксперимента мы попытались максимально охватить понятие "жидкость" в контексте исследуемого вопроса.

По данным нашего эксперимента эффект Мпембы не проявляется ни в чистом веществе (вода), ни в гомогенной системе(раствор соли, водно-спиртовой раствор), ни в гетерогенной системе (сливки). На наш взгляд эффект Мпембы- совокупность определенных факторов, которые действуют определенным образом: они создают различные условия для двух опытных образцов. В результате этого различного воздействия жидкость с большей температурой будет замерзать быстрее, чем жидкость с меньшей температурой.

Примеры:

1) морозильная камера со слоем намерзшего снега;

2) маленькое количество жидкости, близкой в температуре кипения, когда существенное значение будет принимать фактор испарения.

В ходе охлаждения на кривых не обнаружено никаких аномальных зон ускоренного или замедленного охлаждения. Анализ кривых вблизи температур фазового перехода показал, что процесс охлаждения и кристаллизации происходит одинаково для горячей и холодной воды, что говорит об отсутствии каких-либо причин для возникновения эффекта Мпембы. Мы не исключаем, что Эффект Мпембы все же существует, но для других жидкостей и условий.

На всех графиках видно, что кривые горячей и холодной воды не пересекаются, поэтому мы считаем, что для воды и водных растворов говорить об Эффекте Мпембы в той формулировке, которая приведена в начале нашей работы, некорректно, так как его в этих условиях не существует. То чего мы добились в результате нашей работы не подтверждает Эффект Мпембы.

Литература

жидкость мпемба кипение температура

1. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия. 8 класс 2014.

2. Неумывакин И.П. Вода - жизнь и здоровье: мифы и реальность. Издательство: Диля, 2015.

3. "Как и почему происходят химические реакции. Элементы химической термодинамики и кинетики" И.А. Леенсон 2010.

Приложение

Фото №1. Самодельная установка, плассмасовые стаканчики.

Фото №2. Крышечка.

Фото №3.Сушильный шкаф Binoer.

Фото№4. Термометры Hanna.

Фото№5. Морозильные камеры Weiss

Фото№6.

Фото№7.

Фото№8.

Размещено на Allbest.ru