Връщане на топлина и парадоксът на Мпемба (Виктор Бабинцев)
Танзанийският ученик Ерасто Мпемба случайно забеляза през 1963 г., че горещата смес за сладолед замръзва по-бързо във фризера от сместа със стайна температура и съобщи това на своя учител по физика. Учителят му се изсмя. През 1969 г. "парадоксът на Мпемба" става известен от научната преса. И тогава изведнъж се оказа, че свойството на топлата вода при определени условия да замръзва по-бързо от студената вода е споменато още от Аристотел. Резултатът от това нелогично преживяване понякога се нарича ефект на Аристотел-Мпемба, но все още очаква своето обяснение. А Британското кралско дружество по химия през 2012 г. обяви международен конкурс за решаване на "парадокса на Мпемба".
Въпреки това не е толкова лесно да се види ефектът Mpemba. Например, ако пълна кофа с гореща и пълна кофа със студена вода са изложени на замръзване с бриз, тогава студената вода ще замръзне по-бързо; Ако поставите съдове с топла и студена вода в един и същи фризер, студената вода ще замръзне по-бързо. Всеки може лесно да се убеди в това, ако все още не се е убедил на практика. Доколкото ми е известно, на състезанието все още не е представен нито един убедителен експеримент, при който по-топлата вода при равни условия би замръзнала по-бързо от по-малко топлата вода.
За домашен опит вземаме две еднакви пластмасови чаши с височина 12-15 см, например от под заквасена сметана с капацитет на продукта 450 г. На височина 20 мм от дъното на чашите правим рискове - това ще бъде нивото на излятата вода. В едната чаша налейте вода със стайна температура, а в другата - студена вода от чешмата. Поставяме двете чаши във фризера с температура около минус 18 градуса; поставете върху дъска, книга или пяна. Това е всичко: водата в чашата с надпис "планина" замръзва по-бързо.
Но може да се случи такаВие сте този, който ще пропуснете времето за замръзване на водата, а водата ще има време да замръзне и в двете чаши. В този случай, като погледнете в очилата, ще видите, че цялата слана, образувана от изпарената вода, е разположена по вътрешните стени на очилата на разстояние не повече от 20 mm от повърхността на леда и върху самия лед. Тоест никъде другаде няма дори следи от скреж - нито по стените на стъклото над маркировката 40 мм, нито по тавана на фризера. И най-важното - има много повече скреж в чаша с надпис "планини". Може да ви е трудно да повярвате в това и е трудно да обясните наличието на тясна ивица скреж на ръба на леда, но това е точно това, което ще се случи в сто от вашите експерименти от сто.
От това наблюдение следва, че всяка конкретна молекула или частица от изпаряващата се вода в неподвижен въздух винаги се връща във водата, ако повърхността на водата е достатъчно голяма за това. Това е законът за връщането или законът за връщането. (Облаците в небето са резултат от възходящи потоци.) Липсата на възходящи потоци от влажен въздух вътре в почти празните чаши е това, което убягва на изследователите.
Топлата вода се изпарява по-интензивно от студената вода, така че влажността на задържания въздух в първата чаша ще бъде по-висока. Изпарените на студа водни молекули моментално кондензират и се превръщат във видими дори с невъоръжено око ледени кристали, които образуват пара или мъгла. Тези частици в мразовития въздух бавно падат надолу и успяват да преодолеят слабия възходящ поток от по-малки частици. По време на падането си частиците се увеличават по размер, свързвайки се с други частици и като че ли се стремят да се превърнат в снежинки. Следователно в първата чаша по-голям брой такива частици ще се върнат във водата за всяка единица време, отколкото във втората. Спомняйки си големия топлинен капацитет на леда, заключаваме: връщането (или „връщането“) на по-голямброя на замръзналите водни частици за единица време и е причина за по-интензивно охлаждане на топлата вода в студената. Разбира се, не само водните частици, видими за окото, се връщат, но и водните молекули, които са имали време да се охладят и произволно се движат в граничната зона. А техният брой и значението им е огромно!
Така че в нашия експеримент горещата вода в студа се охлажда по-интензивно от студената вода. Това задължително води до изравняване на температурата на водата в първата и втората чаша в даден момент от времето. Сега и тук, и там водата ще се изпарява с приблизително еднаква интензивност. Въпреки това, дори след изравняване на температурите, в чаша с надпис „планини“ за известно време ще остане по-висока влажност на въздуха, отколкото в чаша с първоначално по-студена вода, което ще доведе до по-бързо замръзване на водата в нея. По някаква причина всички тълкуватели на парадокса на Мпемба също пропускат този втори важен момент.
По този начин в природата няма физически ефект на Аристотел-Мпемба и специално свойство на горещата вода, а има само неравенство във влажността и плътността на въздуха над повърхността на гореща и студена вода и повишен топлопренос при условия на висока влажност и плътност на средата. Може би парадоксът на Мпемба е продължил толкова дълго само защото все още няма два научни термина - "отрицателно връщане" и "положително връщане". Отрицателното връщане е връщането на охладени молекули и частици от изпаряващата се течност към течността, а положителното връщане е връщането на нагрети молекули и частици от изпаряващата се течност. И имаме нужда от тези термини, за да разберем и обясним естеството на преноса на топлина. Но не само.
Например, ако езерото замръзне в тихо и леко мразовито време, тогава то е покрито с лед, прозрачен като стъкло. Ако езерото замръзне в тихо имразовито време, покрито е с непрозрачен лед. Това е "връщащ се лед". И всичко се обяснява просто: езеро, което все още не е замръзнало в силен студ, „плува“, а ледът се образува не само от структурни водни молекули, подредени в космоса, но и от частици мъгла и малки снежинки.
Топлообменът се използва от много животни за охлаждане на тялото при екстремни горещини. Например, кучето рязко изтласква влажния въздух от отворената си уста и веднага го изтегля обратно, но вече охладен. Имитирайки я, човек може лесно да провери това. Въпреки това, ако опитате тази охлаждаща техника във финландска баня, можете да изгорите дихателните си пътища. Положителното връщане не винаги е полезно.