«Эффект Мпембы против законов Ньютона»
Ямало-Ненецкий автономный округ, город Лабытнанги
Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов №3», 9ю класс
Краткая аннотация
Данная работа содержит результаты исследования скорости остывания горячей и холодной воды, анализ результатов исследования (факт существования эффекта Мпембы) и теоретическое обоснование полученных результатов на основе Закона Ньютона о расчёте процесса конвективного теплообмена. Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что горячая вода остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество холодной воды, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе охлаждения до 0°С. С другой стороны: еще в конце XVII века английский физик И. Ньютон обнаружил простую закономерность: мощность теплообмена между двумя телами тем больше, чем сильнее отличаются их температуры.
Проведя исследование, я пришёл к выводу о существовании банальной ошибки в понимании исходных данных эксперимента: в эффекте Мпембы упор делается на разницу температур двух исследуемых жидкостей, а в законе Ньютона речь идёт о разнице температур между исследуемой жидкостью и окружающей средой.
Short abstract
This work contains the results of a study of cooling rates of hot and cold water, analysis of the results of the study (the existence of the effect of Mpemba) and theoretical basis of the results obtained on the basis of Newton’s Law of calculation of the process of convective heat transfer.
The paradoxical effect of Mpemba that hot water is cooled to a temperature of 0°C faster than the same amount of cold water, although it must be cold water temperature during cooling to 0°C. on the other hand: even in the late seventeenth century, the English physicist I. Newton discovered a simple rule: the power of heat exchange between two bodies is greater, the stronger differ in their temperature.
Calling on study, I came to conclusion about existence of the trivial mistake in understanding the raw datas of the experiment: in effect of Mpemba stress is done on difference of the temperature two under investigation liquids, but in law Newton speech goes about difference of the temperature between under investigation liquid and surrounding ambience.
Аннотация
Цель работы: Проверить на опыте: как зависит скорость остывания воды от начальной разницы температур. Провести анализ полученных результатов на реальность существования эффекта Мпембы. Дать свою оценку полученным результатам с позиции изученных особенностей тепловых процессов.
Задачи:
1. Изучить теоретические основы темы «Тепловые явления».
2. Подобрать необходимые приборы и материалы и провести эксперимент.
3. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.
Методы и приёмы:
1. Исследовательский эксперимент.
2. Аналитическая трактовка результатов эксперимента.
3. Поиск путей решения полученным результатам исследования.
Полученные данные:
Тёплая вода остывает быстрее, чем холодная.
Выводы: Более интенсивно процесс остывания идёт у воды с высокой температурой, а у воды с меньшей температурой скорость остывания идёт с меньшей скоростью. Эффект Мпембы действительно существует, но он не противоречит законам Ньютона. Исследуя процессы охлаждения, я пришёл к выводу о наличии банальной ошибки в понимании исходных данных эксперимента. В эффекте Мпембы речь идёт о разнице температур между двумя жидкостями (горячая и холодная), а в законе Ньютона объяснение основано на разнице температур между исследуемой жидкостью и окружающей средой. А вот объяснение причины, почему горячая вода охлаждается быстрее холодной, на сегодняшний день, пока нет.
Моя версия: инерция. Изначально энергичные молекулы горячей воды получили больший тормозящий эффект, т. к. была больше разница температур, чем у холодной воды, и он сохранился по инерции на отрезке времени, когда горячая вода остыла до температуры холодной воды
.
Оглавление
страница | ||
1 | Введение | 5 |
2 | Историческая справка | 5 |
3 | План проведения эксперимента | 6 |
4 | Эксперимент | 6 |
5 | Теоретическое обоснование эксперимента | 10 |
6 | Вывод | 11 |
7 | Используемая литература | 13 |
8 | Иллюстрации | 14 |
Научная статья
Природа проста в своих законах,
но неизмеримо богата и разнообразна в их приложениях!
1. Введение
Вопросы теплового обмена являются важными вопросами в жизни человека, где температура - показатель интенсивности тепловых процессов.
Интерес об эффекте Мпембы у меня появился от того, что по интернету ходят слухи о том, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Так о чём же идёт речь — об ошибке эксперимента или о новом, интересном свойстве воды, которое до сих пор не было изучено?
Этот феномен упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танганьикский школьник Эрасто Мпемба заинтересовался причинами того, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная. Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником.
2. Историческая справка
В 1963 году ученик 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.
Похоже, что 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.
3. Эксперимент
Гипотеза эксперимента
В ходе своей работы, я предположил, что горячая вода быстрее остывает, чем вода комнатной температуры.
Цель эксперимента: проверить на факт существования эффекта Мпембы.
Приборы и материалы: одинаковые стеклянные сосуды (стаканы) – 2 шт., термометр – 2 шт., измерительный цилиндр (мензурка), часы (секундомер), горячая вода, вода холодная.
Ход работы:
Отмерить мензуркой 100мл горячей и 100мл холодной воды. Разлить её в одинаковом количестве (по 100 мл) в стаканы.
Поместить в сосуды с водой термометры, измерить начальную температуру воды.
Снимать показания термометров через равные промежутки времени.
Построить график зависимости температуры воды в двух сосудах от времени.
Проанализировать и дать теоретическое обоснование полученным результатам, сформулировать вывод.
Отчет о проведении эксперимента.
опыт: В качестве подставки я взял два одинаковых стаканчика и поместил их в морозилку вверх дном. Сверху на них поставил два стакана: один с кипячёной водой в 500С, а второй с кипячёной водой в 260С. Запускаю секундомер и жду результаты. Итак, через 1:18 ч. (78 мин), температура стакана с тёплой кипячёной водой опустилась от 500С до 20С градусов цельсия, а температура другого стакана опустилась от 260С до 30С.
Результаты измерений заношу в таблицу.
Время t, мин. | Температура горячей воды t, ºС | Температура холодной воды, t, ºС |
Сравнительная разница температур остывающей воды и окружающей среды | Больше | Меньше |
0 | 50 | 26 |
10 | 28 | 14 |
39 | 9 | 6 |
78 | 2 | 3 |
Из графика видно: более интенсивное остывание идёт у воды с высокой температурой, а у воды комнатной температуры скорость остывания гораздо меньше.
Вывод: Эффект Мпембы подтвердился.
4. Теоретическое обоснование эксперимента
Еще в конце XVII века английский физик И. Ньютон обнаружил простую закономерность: мощность теплообмена между двумя телами тем больше, чем сильнее отличаются их температуры. Другими словами, чем больше разница температур тел, участвующих в теплообмене, тем с большей скоростью он протекает (то есть в единицу времени передается больше теплоты).
Отметим, что разница температур здесь идёт между водой и окружающей средой, т. к. система у нас незамкнутая и теплообмен протекает между жидкостями и окружающей средой. (Заметим - в основном конвекцией)
Конвекция - это перенос теплоты движущейся массой жидкости или газа из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция всегда сопровождается конвективным обменом (теплопроводностью). Характер конвекции в нашем случае – свободный.
Расчёт процесса конвективного теплообмена производится на основе закона Ньютона, который выражается формулой:
где W - количество переданной теплоты (Дж), α – коэффициент теплоотдачи (Вт/(м2*К),F- площадь поверхности теплообмена (м2); t- температуры жидкостей (К), ԏ - время (с).
Коэффициент теплоотдачи α показывает, какое количество теплоты передаётся от холодной жидкости, и, наоборот, в единицу времени через единицу поверхности при разности температур жидкостей в 1 К..
Всякое отношение ко времени - есть скорость. Разделим обе части уравнения Ньютона на время ԏ, получим скорость конвективного обмена:
Что происходит в Опыте?:
Из закона распространения теплоты, по Ньютону, скорость процесса конвективного теплообмена прямо пропорциональна разности температур и коэффициенту теплоотдачи:
Очевидно, что α (коэффициент теплоотдачи) у горячей воды будет большее, чем у холодной. Ведь скорость движения молекулу горячего больше, и в процессе охлаждения, молекулы по инерции будут стремиться сохранить импульс торможения («тормозящий эффект»), который приобрели при помещении горячей воды в морозильную камеру, а, значит, и остывание будет проходить быстрее.
Эффекту Мпембы можно найти объяснение в рамках известной физики. Вот несколько вариантов такого объяснения:
§ Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
§ Наличие снеговой шубы в морозилке холодильника. Контейнер с горячей водой протаивает под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки. Контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег. При отсутствии снеговой шубы контейнер с холодной водой должен замерзать быстрее.
§ Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
§ Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде - растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров превращение воды в лед затруднено и возможно даже ее переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.
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.
Через 13 лет в той же „Химии и жизни“ появился такой диалог: „Если на мороз вынести две чашки — с холодной и с горячей водой, — то какая вода быстрее замёрзнет?.. Дождитесь зимы и проверьте: горячая вода замёрзнет быстрее“ (1993, № 9, с. 79). Ещё через год последовало письмо одного добросовестного читателя, который зимой старательно выносил на мороз чашки с холодной и горячей водой и убедился, что холодная замерзает быстрее (1994, № 11, с. 62).
Данные аналогичного опыта Михаила Приворотского за 2013 год.
Подобный опыт был проведён с помощью холодильника, у которого морозильник покрывается толстым слоем инея. Я в своём опыте исключил подтаивание - поставил ёмкости с водой на подставку, но горячая вода всё равно остывала быстрее холодной.
5. Вывод
Эффект Мпембы действительно существует, но он не противоречит законам Ньютона в том, что время, в течении которого тело остывает до определённой температуры должно быть пропорционально разности температур этого тела и охлаждающей среды. Исследуя факт существования эффекта Мпембы, я пришёл к выводу о банальной ошибке в понимании исходных данных эксперимента: в эффекте Мпемба упор делается на разницу температур двух исследуемых жидкостей, а в законе Ньютона речь идёт о разнице температур между исследуемой жидкостью и окружающей средой. При изменении качества воды (кипячёная на некипячёная) наблюдается тот же результат. А вот объяснений причины, почему горячая вода охлаждается быстрее холодной, на сегодняшний день, у учёных пока нет.
Моя версия: инерция. Изначально энергичные молекулы горячей воды получили больший тормозящий эффект, т. к. была больше разница температур, чем у холодной воды и он сохранился по инерции на отрезке времени, когда горячая вода остыла до температуры холодной воды. По этой причине остывание происходит быстрее у горячей воды.
6. Используемая литература
1. Эффект Мпембы http://en. wikipedia. org/wiki/Mpemba_effect
2. Филипп Болл «Глядя на замёрзшую воду» http://wsyachina. narod. ru/physics/mpemba. html
3. Тайны воды http://nhome. ru/journal/113518
4. Журнал «Химия и жизнь» 1993, № 9, с. 79
5. Журнал «Химия и жизнь» 1994, № 11, с. 62
