믿을 수 없을 만큼 들리지만 이는 사실입니다. 왜냐하면 냉동 과정에서 예열된 물은 찬물의 온도를 통과해야 하기 때문입니다. 한편, 이 효과는 예를 들어 겨울에는 스케이트장이나 미끄럼틀에 찬 물이 아닌 뜨거운 물이 채워지는 경우에 널리 사용됩니다. 전문가들은 운전자들에게 겨울철에 세탁기통에 뜨거운 물이 아닌 차가운 물을 부을 것을 권고합니다. 이 역설은 세계적으로 "음펨바 효과(Mpemba Effect)"로 알려져 있습니다.
이 현상은 아리스토텔레스, 프란시스 베이컨, 르네 데카르트에 의해 한때 언급되었지만 1963년이 되어서야 물리학 교수들이 이에 주목하고 연구하려고 했습니다. 모든 것은 탄자니아의 남학생 Erasto Mpemba가 아이스크림을 만드는 데 사용한 달게 한 우유가 예열되면 더 빨리 얼고 뜨거운 물이 찬 물보다 더 빨리 얼 것이라는 가설을 세웠을 때 시작되었습니다. 그는 설명을 위해 물리학 교사에게로 향했지만 그는 학생을 비웃으며 다음과 같이 말했습니다. “이것은 보편적 물리학이 아니라 음펨바 물리학입니다.”
다행히 다르에스살람대학교의 물리학 교수인 데니스 오스본이 어느 날 학교를 방문했다. 그리고 Mpemba는 그에게 같은 질문을 던졌습니다. 교수는 덜 회의적이었고, 자신이 본 적이 없는 것은 판단할 수 없다고 말했고, 집에 돌아와서 직원들에게 적절한 실험을 해달라고 요청했습니다. 그들은 소년의 말을 확인하는 것 같았습니다. 어쨌든 1969년에 Osborne은 영국 잡지에서 Mpemba와 함께 일하는 것에 대해 이야기했습니다. 물리학교육" 같은 해 캐나다 국립연구위원회의 조지 켈(George Kell)은 이 현상을 영어로 설명하는 논문을 발표했습니다. 미국 사람신문~의물리학».
이 역설에 대한 몇 가지 가능한 설명이 있습니다.
- 뜨거운 물은 더 빨리 증발하여 부피가 줄어들고, 같은 온도에서 더 적은 양의 물이 더 빨리 얼게 됩니다. 찬 물은 밀폐된 용기에 넣어두면 더 빨리 얼게 됩니다.
- 스노우 라이닝의 가용성. 뜨거운 물이 담긴 용기는 아래의 눈을 녹여 냉각 표면과의 열 접촉을 향상시킵니다. 찬물은 밑에 있는 눈을 녹이지 않습니다. 스노우라이너가 없으면 냉수통이 더 빨리 얼게 됩니다.
- 찬물은 위에서 얼기 시작하여 열복사 및 대류 과정을 악화시켜 열 손실을 일으키고, 뜨거운 물은 아래에서 얼기 시작합니다. 용기에 물을 추가로 기계적으로 혼합하면 찬물이 더 빨리 얼게 됩니다.
- 냉각수에 결정화 센터가 존재합니다 - 그 안에 용해된 물질. 냉수에 그러한 중심이 적기 때문에 물을 얼음으로 변환하는 것이 어렵고 영하의 온도를 갖는 액체 상태로 남아 있으면 과냉각도 가능합니다.
최근 또 다른 설명이 발표되었습니다. 워싱턴 대학의 조나단 카츠(Jonathan Katz) 박사는 이 현상을 연구하고 물에 용해되어 가열되면 침전되는 물질이 중요한 역할을 한다는 결론을 내렸습니다.
Katz 박사는 용질이란 경수에서 발견되는 칼슘과 마그네슘 중탄산염을 의미합니다. 물을 가열하면 이러한 물질이 침전되어 물이 "부드럽게" 됩니다. 가열되지 않은 물에는 이러한 불순물이 포함되어 있어 "단단"합니다. 물이 얼고 얼음 결정이 형성되면서 물 속의 불순물 농도가 50배 증가합니다. 이로 인해 물의 어는점이 감소합니다.
이 설명은 나에게 설득력이 없는 것 같습니다. 왜냐하면... 우리는 그 효과가 경수가 아닌 아이스크림 실험에서 발견되었다는 사실을 잊어서는 안됩니다. 아마도 이 현상의 원인은 화학적이 아니라 열물리학적일 것입니다.
지금까지 Mpemba의 역설에 대한 명확한 설명은 얻어지지 않았습니다. 일부 과학자들은 이 역설이 주목할 가치가 없다고 생각한다고 말해야 합니다. 그러나 단순한 남학생이 호기심과 끈기로 인해 신체적 효과를 인식하고 인기를 얻은 것은 매우 흥미 롭습니다.
2014년 2월에 추가됨
이 메모는 2011년에 작성되었습니다. 이후 음펨바 효과에 대한 새로운 연구와 이를 설명하려는 새로운 시도가 나타났습니다. 그래서 2012년 영국 왕립화학학회는 1000파운드의 상금을 걸고 과학 미스터리 '음펨바 효과'를 풀기 위한 국제 공모전을 발표했습니다. 마감일은 2012년 7월 30일로 설정되었습니다. 우승자는 자그레브 대학 연구실의 Nikola Bregovic이었습니다. 그는 이 현상을 설명하려는 이전 시도를 분석한 결과 설득력이 없다는 결론에 도달한 자신의 연구를 발표했습니다. 그가 제안한 모델은 물의 기본 특성에 기초를 두고 있습니다. 관심 있는 사람들은 http://www.rsc.org/mpemba-competition/mpemba-winner.asp에서 일자리를 찾을 수 있습니다.
연구는 여기서 끝나지 않았습니다. 2013년 싱가포르 물리학자들은 메펨바 효과의 원인을 이론적으로 입증했습니다. 해당 작업은 http://arxiv.org/abs/1310.6514에서 찾을 수 있습니다.
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코멘트:
알렉세이 미쉬네프. , 2012년 10월 6일 04:14
뜨거운 물이 더 빨리 증발하는 이유는 무엇입니까? 과학자들은 뜨거운 물 한 잔이 찬 물보다 더 빨리 어는 것을 실제로 입증했습니다. 과학자들은 현상의 본질, 즉 더위와 추위를 이해하지 못하기 때문에 이 현상을 설명할 수 없습니다! 더위와 추위는 우주와 지구 중심에서 이동하는 자기파의 역압축 형태로 물질 입자의 상호 작용을 유발하는 물리적 감각입니다. 따라서 전위차, 즉 자기 전압이 클수록 한 파동이 다른 파동으로 역 침투하는 방식으로 에너지 교환이 더 빨리 발생합니다. 즉, 확산 방식입니다! 내 기사에 대한 응답으로 한 반대자는 다음과 같이 썼습니다. 1) "..뜨거운 물이 더 빨리 증발하여 더 적은 양의 물이 증발하므로 더 빨리 얼게 됩니다." 질문! 물을 더 빨리 증발시키는 에너지는 무엇입니까? 2) 내 기사는 유리 잔에 관한 것이지 상대방이 반론으로 인용하는 나무 여물통에 관한 것이 아닙니다. 정확하지 않습니다! 나는 "왜 자연에서 물이 증발합니까?"라는 질문에 대답합니다. 항상 지구 중심에서 우주로 이동하는 자기파는 (항상 우주에서 지구 중심으로 이동하는) 자기 압축파의 역압을 이겨내고 동시에 우주로 이동하면서 물 입자를 뿌린다. , 볼륨이 증가합니다. 즉, 확장되고 있습니다! 자기 압축파를 극복하면 이러한 수증기가 압축(응축)되고 이러한 자기 압축력의 영향으로 물이 강수 형태로 지구로 되돌아옵니다! 감사합니다! 알렉세이 미쉬네프. 2012년 10월 6일.
알렉세이 미쉬네프. , 2012년 10월 6일 04:19
온도란 무엇입니까? 온도는 압축 및 팽창 에너지를 갖는 자기파의 전자기 장력 정도입니다. 이러한 에너지가 평형 상태에 있을 경우 신체나 물질의 온도는 안정된 상태가 됩니다. 이러한 에너지의 평형 상태가 방해를 받으면 에너지가 팽창하는 쪽으로 몸이나 물질의 공간 부피가 증가합니다. 자기파의 에너지가 압축 방향을 초과하면 물체나 물질의 공간 부피가 감소합니다. 전자기 전압의 정도는 기준 물체의 팽창 또는 압축 정도에 따라 결정됩니다. 알렉세이 미쉬네프.
모이세바 나탈리아, 2012년 10월 23일 11:36 | VNIIM
Alexey, 당신은 온도 개념에 대한 당신의 생각을 설명하는 기사에 대해 이야기하고 있습니다. 그러나 아무도 그것을 읽지 않았습니다. 링크를 주세요. 일반적으로 물리학에 대한 당신의 견해는 매우 독특합니다. 나는 "기준 물체의 전자기 팽창"에 대해 들어본 적이 없습니다.
유리 쿠즈네초프, 2012년 12월 4일 12:32
이는 분자간 공명과 그것이 생성하는 분자 사이의 연못운동 인력에 의한 것이라는 가설이 제안되었습니다. 차가운 물에서는 분자가 서로 다른 주파수로 혼란스럽게 움직이고 진동합니다. 물이 가열되면 진동 주파수가 증가함에 따라 범위가 좁아지고 (액체 온수에서 기화 지점까지의 주파수 차이가 감소함) 분자의 진동 주파수가 서로 접근하여 공명이 발생합니다. 분자 사이에서 발생합니다. 냉각 중에 이 공명은 부분적으로 보존되며 즉시 사라지지 않습니다. 공명하는 두 개의 기타 현 중 하나를 눌러 보십시오. 이제 놓으십시오. 현이 다시 진동하기 시작하고 공명이 진동을 복원합니다. 마찬가지로, 얼어붙은 물에서 외부의 냉각된 분자는 진동의 진폭과 주파수를 잃으려고 시도하지만 용기 내부의 "따뜻한" 분자는 진동을 "당겨" 진동기 역할을 하고 외부 분자는 공진기 역할을 합니다. 진동기와 공진기 사이에 뇌동적인 인력*이 발생합니다. 폰더모티브 힘이 분자의 운동 에너지(진동할 뿐만 아니라 선형적으로 이동함)로 인한 힘보다 커지면 결정화가 가속화됩니다. 즉 "음펨바 효과"가 발생합니다. 폰더모티브 연결은 매우 불안정하며 Mpemba 효과는 냉동할 물의 양, 가열 특성, 냉동 조건, 온도, 대류, 열 교환 조건, 가스 포화도, 냉동 장치의 진동 등 모든 관련 요소에 크게 의존합니다. , 환기, 불순물, 증발 등 아마도 조명에서도... 따라서 효과에 대한 설명이 많고 때로는 재현이 어렵습니다. 동일한 "공명" 이유로 끓인 물은 끓이지 않은 물보다 빨리 끓습니다. 공명은 끓은 후 일정 시간 동안 물 분자의 진동 강도를 유지합니다(냉각 중 에너지 손실은 주로 선형 운동의 운동 에너지 손실로 인해 발생함). 분자). 강렬한 가열 동안 진동기 분자는 동결과 비교하여 공진기 분자의 역할을 변경합니다. 진동기의 주파수는 공진기의 주파수보다 작습니다. 이는 인력이 아니지만 분자 사이에 반발이 발생하여 다른 상태로의 전환을 가속화한다는 것을 의미합니다. 집합(쌍).
블라드, 2012년 12월 11일 03:42
뇌가 망가졌어...
안톤, 2013년 2월 4일 02:02
1. 이 숙명적 매력이 정말 너무 커서 열 전달 과정에 영향을 미칠까요? 2. 이것은 모든 물체가 특정 온도로 가열되면 구조 입자가 공명을 일으킨다는 것을 의미합니까? 3. 냉각되면 왜 공명이 사라지나요? 4. 이것이 당신의 추측인가요? 출처가 있으면 기재해주세요. 5. 이 이론에 따르면 용기의 모양이 중요한 역할을 하며, 용기가 얇고 편평하면 어는 시간의 차이가 크지 않습니다. 이것을 확인할 수 있습니다.
구드라트, 2013년 3월 11일 10:12 | 메타크
찬물에는 이미 질소 원자가 있고 물 분자 사이의 거리는 뜨거운 물보다 더 가깝습니다. 즉, 결론은: 뜨거운 물은 질소 원자를 더 빨리 흡수하는 동시에 찬물보다 빨리 얼게 됩니다. 뜨거운 물은 얼음으로 변하고 뜨거운 철은 급속 냉각으로 굳기 때문에 이것은 철의 경화와 비슷합니다!
블라디미르, 2013년 3월 13일 06:50
또는 아마도 다음과 같습니다. 뜨거운 물과 얼음의 밀도는 찬물의 밀도보다 작으므로 물은 밀도를 변경할 필요가 없으며 시간이 좀 걸리고 얼게 됩니다.
알렉세이 미슈네프, 2013년 3월 21일 11:50
입자의 공명, 인력, 진동에 대해 이야기하기 전에 다음 질문을 이해하고 대답해야 합니다. 입자가 진동하게 만드는 힘은 무엇입니까? 운동에너지가 없으면 압축이 불가능하기 때문이다. 압축이 없으면 확장도 있을 수 없습니다. 팽창이 없으면 운동에너지도 있을 수 없습니다! 현의 공명에 대해 이야기하기 시작하면 먼저 현 중 하나가 진동하기 시작하도록 노력해야 합니다! 매력에 관해 이야기할 때, 먼저 이러한 신체를 매력있게 만드는 힘을 나타내야 합니다! 나는 모든 물체가 대기의 전자기 에너지에 의해 압축되며 모든 물체, 물질 및 기본 입자를 1.33kg의 힘으로 압축한다고 주장합니다. cm2당이 아니라 기본 입자당 대기압은 선택적일 수 없으므로 힘의 양과 혼동하지 마십시오!
도딕, 2013년 5월 31일 02:59
제가 보기엔 당신은 "측정이 시작되는 곳에서 과학이 시작된다"라는 한 가지 진실을 잊어버린 것 같습니다. "뜨거운" 물의 온도는 얼마입니까? “차가운” 물의 온도는 얼마입니까? 기사에는 이에 대해 한마디도 나와 있지 않습니다. 이것으로부터 우리는 결론을 내릴 수 있습니다. 전체 기사는 헛소리입니다!
그레고리, 2013년 6월 4일 12:17
Dodik, 말도 안되는 기사를 부르기 전에 학습에 대해 최소한 조금이라도 생각해야합니다. 단지 측정만 하는 것이 아닙니다.
드미트리, 2013년 12월 24일 10:57
뜨거운 물 분자는 찬물보다 더 빠르게 움직입니다. 이로 인해 환경과 더 가깝게 접촉하고 모든 추위를 흡수하여 빠르게 느려지는 것처럼 보입니다.
이반, 2014년 1월 10일 05:53
이 사이트에 이런 익명의 글이 올라온다는게 놀랍습니다. 이 기사는 완전히 비과학적입니다. 저자와 평론가 모두 그 현상이 전혀 관찰되는지, 관찰된다면 어떤 조건에서 나타나는지 알아내는 데 애쓰지 않고 현상에 대한 설명을 찾기 위해 서로 경쟁하고 있습니다. 더욱이 우리가 실제로 관찰하고 있는 것에 대해서는 합의조차 이루어지지 않았습니다! 따라서 저자는 전체 텍스트 (및 "아이스크림 실험에서 효과가 발견되었습니다"라는 단어)에서 자신이 그러한 작업을 수행하지 않았음에도 불구하고 뜨거운 아이스크림의 급속 냉동 효과를 설명해야한다고 주장합니다. 실험. 기사에 나열된 현상의 "설명"옵션을 통해 완전히 다른 실험이 설명되고 있으며 다른 수용액을 사용하여 다른 조건에서 수행되고 있음이 분명합니다. 설명의 본질과 가정법적인 분위기는 표현된 아이디어에 대한 기본적인 점검조차 수행되지 않았음을 시사합니다. 누군가 우연히 재미있는 이야기를 듣고 자신의 추측적인 결론을 아무렇지도 않게 표현했습니다. 죄송합니다. 이것은 물리학적인 과학적 연구가 아니라 흡연실에서의 대화입니다.
이반, 2014년 1월 10일 06:10
롤러에 뜨거운 물을 채우고 앞 유리 워셔 저장소에 찬물을 채우는 것에 대한 기사의 의견에 대해. 초등 물리학의 관점에서 보면 모든 것이 간단합니다. 스케이트장은 더 천천히 얼기 때문에 뜨거운 물로 채워져 있습니다. 스케이트장은 평평하고 매끄러워야 합니다. 차가운 물로 채우십시오. 부딪히거나 부풀어오르는 현상이 발생할 수 있습니다. 왜냐하면... 물은 균일한 층으로 퍼질 시간도 없이 _빠르게_ 얼어붙을 것입니다. 그리고 뜨거운 것은 고른 층으로 퍼질 시간을 갖고 기존의 얼음과 눈 결절을 녹일 것입니다. 세탁기도 어렵지 않습니다. 추운 날씨에 깨끗한 물을 부을 필요가 없습니다. 유리 위에서 얼어 붙습니다 (뜨거워도). 얼지 않는 뜨거운 액체는 차가운 유리가 깨질 수 있으며, 유리로 가는 도중 알코올의 증발이 가속화되어 유리의 어는점이 높아집니다. (모든 사람이 달빛 증류기 작동 원리를 잘 알고 있습니다. ? - 알코올이 증발하고 물이 남습니다.
이반, 2014년 1월 10일 06:34
그러나 현상의 본질을 보면 왜 서로 다른 조건에서 두 개의 서로 다른 실험이 다르게 진행되는지 묻는 것은 어리석은 일입니다. 실험이 순수하게 수행되는 경우 동일한 화학 성분의 뜨거운 물과 차가운 물을 가져와야합니다. 동일한 주전자에서 미리 냉각 된 끓는 물을 가져옵니다. 동일한 용기(예: 벽이 얇은 유리잔)에 붓습니다. 우리는 그것을 눈 위에 놓지 않고 나무 테이블과 같이 똑같이 평평하고 건조한 바닥 위에 놓습니다. 그리고 마이크로 냉동고가 아니라 상당히 부피가 큰 온도 조절기에서 - 저는 몇 년 전 외부 날씨가 약 -25C로 안정적이고 서리가 내렸을 때 dacha에서 실험을 수행했습니다. 물은 결정화열을 방출한 후 특정 온도에서 결정화됩니다. 가설은 뜨거운 물이 더 빨리 냉각된다는 진술로 요약됩니다(고전 물리학에 따르면 열 전달 속도는 온도 차이에 비례합니다). 그러나 온도가 물과 같아지더라도 증가된 냉각 속도를 유지합니다. 차가운 물의 온도. 문제는 외부 온도가 +20C로 냉각된 물이 한 시간 전에 실내에서 +20C의 온도로 냉각된 물과 정확히 어떻게 다릅니까? 고전 물리학(그런데 흡연실에서의 대화가 아니라 수십만, 수백만 번의 실험을 기반으로 함)은 다음과 같이 말합니다. 냉각의 추가 역학은 동일하지 않습니다(끓는 물만 +20 지점에 도달함). 나중에). 그리고 실험은 똑같은 것을 보여줍니다. 처음에 차가운 물 한 잔에 이미 강한 얼음 껍질이 있었을 때 뜨거운 물은 얼어 붙을 생각조차하지 않았습니다. 추신 Yuri Kuznetsov의 의견에. 특정 효과의 존재는 그 발생 조건이 기술되고 일관되게 재현될 때 확립된 것으로 간주될 수 있습니다. 그리고 알려지지 않은 조건에 대한 알려지지 않은 실험이 있을 때, 이를 설명하기 위한 이론을 세우는 것은 시기상조이며 이는 과학적 관점에서 아무 것도 제공하지 않습니다. 추신 글쎄, 부드러움의 눈물 없이 Alexei Mishnev의 의견을 읽는 것은 불가능합니다. 사람은 물리학 및 실제 실험과 관련이없는 일종의 허구의 세계에 살고 있습니다.
그레고리, 2014년 1월 13일 10:58
Ivan, 당신이 Mpemba 효과를 반박하고 있다는 것을 알고 있습니까? 실험에서 알 수 있듯이 존재하지 않습니까? 물리학에서 이것이 왜 그토록 유명하며, 많은 사람들이 이를 설명하려고 하는 이유는 무엇입니까?
이반, 2014/02/14 01:51
안녕하세요, 그레고리! 불순한 실험의 효과가 존재합니다. 그러나 아시다시피 이것은 물리학에서 새로운 법칙을 찾는 이유가 아니라 실험자의 기술을 향상시키는 이유입니다. 댓글에서 이미 언급했듯이, 언급된 모든 "음펨바 효과"를 설명하려는 시도에서 연구자들은 정확히 무엇을, 어떤 조건에서 측정하는지 명확하게 공식화할 수 없습니다. 그리고 이들이 실험 물리학자라고 말하고 싶나요? 나를 웃게 만들지 마십시오. 그 효과는 물리학이 아니라 현재 바다가 있는 다양한 포럼과 블로그의 유사 과학 토론에서 알려져 있습니다. 물리학과는 거리가 먼 사람들은 이를 실제 물리적 효과(잘못된 해석이나 단순한 신화의 결과가 아니라 일부 새로운 물리 법칙의 결과라는 의미에서)로 인식합니다. 따라서 전혀 다른 조건에서 수행된 여러 실험의 결과를 단일한 물리적 효과라고 말할 이유가 없습니다.
파벨, 2014/02/18 09:59
흠, 여러분... "속도 정보"에 대한 기사... 욕하지 마세요... ;) Ivan이 모든 것에 대해 옳습니다...
그레고리, 2014년 2월 19일 12:50
Ivan, 저는 검증되지 않은 선정적인 자료를 게시하는 사이비 과학 사이트가 많다는 데 동의합니다.? 결국 Mpemba 효과는 여전히 연구되고 있습니다. 또한 대학의 과학자들이 연구하고 있습니다. 예를 들어, 2013년에 싱가포르 공과대학의 한 그룹이 이 효과를 연구했습니다. http://arxiv.org/abs/1310.6514 링크를 살펴보세요. 그들은 이 효과에 대한 설명을 찾았다고 믿습니다. 나는 발견의 본질에 대해 자세히 쓰지 않을 것이지만 그들의 의견으로는 그 효과는 수소 결합에 저장된 에너지의 차이와 관련이 있습니다.
Moiseeva N.P. , 2014년 2월 19일 03:04
Mpemba 효과 연구에 관심이 있는 모든 사람을 위해 기사의 자료를 약간 보완하고 최신 결과에 익숙해질 수 있는 링크를 제공했습니다(텍스트 참조). 귀하의 의견에 감사드립니다.
일다르, 2014년 2월 24일 04:12 | 모든 것을 나열하는 것은 의미가 없습니다
이 음펨바 효과가 실제로 발생한다면, 내 생각에는 물의 분자 구조에서 설명을 찾아야 합니다. 물(대중 과학 문헌에서 배운 것처럼)은 개별 H2O 분자가 아니라 여러 분자(심지어 수십 개)의 클러스터로 존재합니다. 물의 온도가 증가함에 따라 분자의 이동 속도가 증가하고 클러스터가 서로 부서지고 분자의 원자가 결합이 큰 클러스터를 조립할 시간이 없습니다. 클러스터 형성은 분자 이동 속도의 감소보다 약간 더 많은 시간이 걸립니다. 그리고 클러스터가 더 작기 때문에 결정 격자의 형성이 더 빨리 발생합니다. 찬물에서는 크고 상당히 안정적인 클러스터가 격자 형성을 방해하는 것으로 보이며 이를 파괴하는 데 시간이 걸립니다. 나는 TV에서 병에 가만히 서 있는 찬물이 추위 속에서 몇 시간 동안 액체로 남아 있을 때 이상한 효과를 본 적이 있습니다. 그러나 항아리를 집어 올리자마자, 즉 그 자리에서 약간 움직이자마자, 항아리 안의 물은 즉시 결정화되어 불투명해졌고, 항아리는 터졌습니다. 그런데 이런 효과를 보인 신부님은 그 물이 축복받았다는 사실로 설명하셨습니다. 그런데 물은 온도에 따라 점도가 크게 변하는 것으로 나타났습니다. 이것은 큰 생물인 우리에게는 감지할 수 없지만 작은(mm 이하) 갑각류, 그리고 훨씬 더 박테리아 수준에서는 물의 점도가 매우 중요한 요소입니다. 내 생각에 이 점도는 물 클러스터의 크기에 의해서도 결정되는 것 같습니다.
그레이, 2014년 3월 15일 05:30
우리 주변에서 보는 모든 것은 피상적인 특성(속성)이므로 어떤 식으로든 측정하거나 그 존재를 증명할 수 있는 것만 에너지로 받아들입니다. 그렇지 않으면 막다른 골목입니다. Mpemba 효과라는 이 현상은 모든 물리적 모델을 단일 상호 작용 구조로 통합하는 간단한 체적 이론으로만 설명할 수 있습니다. 사실 간단해요
니키타, 2014년 6월 6일 04:27 | 자동차
하지만 차를 운전할 때 물이 따뜻하지 않고 차갑게 유지되도록 하려면 어떻게 해야 할까요?
알렉세이, 2014년 10월 3일 01:09
여기에 또 다른 "발견"이 있습니다. 플라스틱 병에 들어 있는 물은 뚜껑을 열면 훨씬 빨리 얼게 됩니다. 재미삼아 혹한 속에서도 여러 번 실험을 해봤습니다. 효과는 분명합니다. 안녕하세요 이론가 여러분!
예브게니, 2014년 12월 27일 08:40
증발식 냉각기의 원리. 우리는 냉수와 온수가 담긴 두 개의 밀봉된 병을 가져갑니다. 우리는 그것을 추위에 넣었습니다. 찬물은 더 빨리 얼어요. 이제 우리는 같은 병에 찬물과 뜨거운 물을 가져다가 열어서 찬물에 넣습니다. 뜨거운 물은 찬물보다 빨리 얼게 됩니다. 찬물과 뜨거운 물이 담긴 두 개의 대야를 사용하면 뜨거운 물이 훨씬 빨리 얼 것입니다. 이는 우리가 대기와의 접촉을 증가시키고 있기 때문입니다. 증발이 강할수록 온도는 더 빨리 떨어집니다. 여기서 우리는 습도 인자를 언급해야 합니다. 습도가 낮을수록 증발이 강해지고 냉각 효과가 강해집니다.
회색 TOMSK, 2015년 3월 1일 10:55
GRAY, 2014년 3월 15일 05:30 - 계속 온도에 대해 아는 것이 전부는 아닙니다. 거기에는 다른 것이 있습니다. 온도의 물리적 모델을 올바르게 구성하면 확산, 용융 및 결정화에서 압력 증가에 따른 온도 증가, 온도 증가에 따른 압력 증가와 같은 규모에 이르는 에너지 과정을 설명하는 열쇠가 될 것입니다. 위에서부터 태양 에너지의 물리적 모델도 명확해질 것입니다. 나는 겨울이다. . 20013년 초봄, 기온모델을 보면서 종합적인 기온모델을 정리했습니다. 몇 달 후 저는 온도 역설을 기억했고, 제 온도 모델도 Mpemba 역설을 설명한다는 것을 깨달았습니다. 2013년 5~6월의 일이었습니다. 1년 늦었지만 최선을 다하겠습니다. 내 물리적 모델은 고정 프레임이며 앞뒤로 되감을 수 있으며 모든 것이 움직이는 동일한 활동인 모터 활동을 포함합니다. 나는 주제를 반복하면서 8년의 학교와 2년의 대학을 다녔습니다. 20년이 지났습니다. 그러므로 나는 어떤 종류의 물리적 모델도 유명한 과학자들의 것이라고 생각할 수 없으며, 공식도 그럴 수 없습니다. 정말 미안해요.
안드레이, 2015년 11월 8일 08:52
일반적으로 나는 왜 뜨거운 물이 찬물보다 빨리 얼는지 알고 있습니다. 내 설명은 모든 것이 매우 간단합니다. 관심이 있으시면 이메일로 저에게 편지를 보내주십시오. [이메일 보호됨]
안드레이, 2015년 11월 8일 08:58
죄송합니다. 이메일 주소를 잘못 입력했습니다. 올바른 이메일 주소는 다음과 같습니다. [이메일 보호됨]
빅터, 2015년 12월 23일 10:37
모든 것이 더 간단하고 여기에 눈이 내리고 증발 가스이고 냉각되므로 추운 날씨에는 뜨거운 것이 증발하고 멀리 올라가지 않고 즉시 결정화되고 기체 상태의 물이 더 빨리 냉각되기 때문에 더 빨리 냉각되는 것 같습니다. 액체상태보다)
백잔, 2016/01/28 09:18
누군가가 이러한 효과와 관련된 세계의 법칙을 공개했다고 해도 여기에 글을 쓰지 않았을 것입니다. 내 관점에서는 유명한 과학 저널에 게시할 수 있을 때 그 비밀을 인터넷 사용자에게 공개하는 것은 논리적이지 않습니다. 따라서 이 효과에 대해 여기에 기록될 내용은 대부분 논리적이지 않습니다.)))
알렉스, 2016년 2월 22일 12:48
안녕하세요 실험자 여러분, 과학은 측정이 아닌 계산에서 시작된다는 말씀이 맞습니다. "실험"은 상상력과 선형적 사고가 결여된 사람들에게 영원하고 필수적인 주장입니다. 이제 E= mc2의 경우 모든 사람이 기분을 상하게 했습니다. 모두가 기억합니까? 차가운 물에서 대기로 날아가는 분자의 속도는 물에서 운반되는 에너지의 양을 결정합니다(냉각은 에너지 손실입니다). 뜨거운 물에서 나오는 분자의 속도는 훨씬 빠르며 운반되는 에너지는 제곱입니다. 남은 물 질량의 냉각 속도) "실험"에서 벗어나 과학의 기본 기초를 기억하면 그게 전부입니다.
블라디미르, 2016년 4월 25일 10:53 | 메테오
부동액이 드물었던 당시에는 실린더 블록이나 라디에이터의 성에를 방지하기 위해 근무일 이후 난방이 되지 않는 차고에 있는 자동차 냉각 시스템의 물이 배수되었습니다. 때로는 둘 다 함께 사용되기도 했습니다. 아침에는 뜨거운 물을 부었습니다. 심한 서리 속에서도 엔진은 문제없이 시동되었습니다. 왠지 뜨거운 물이 부족해서 수도꼭지에서 물이 쏟아졌습니다. 물이 즉시 얼었습니다. 실험 비용은 ZIL-131 자동차의 실린더 블록과 라디에이터를 구입하고 교체하는 데 드는 비용과 똑같습니다. 믿지 않는 사람은 확인해 보도록 하세요. Mpemba는 아이스크림을 실험했습니다. 아이스크림에서는 결정화가 물에서와 다르게 발생합니다. 아이스크림 한 조각과 얼음 조각을 이빨로 깨물어 보세요. 얼지 않았을 가능성이 높지만 냉각으로 인해 두꺼워졌습니다. 그리고 담수는 뜨겁든 차갑든 0℃에서 언다. 차가운 물은 빠르지만 뜨거운 물은 식는 데 시간이 걸립니다.
방랑자, 2016년 5월 6일 12:54 | 알렉스에게
"c" - 진공에서의 빛의 속도 E=mc^2 - 질량과 에너지의 동등성을 표현하는 공식
앨버트, 2016/07/27 08:22
첫째, 고체와 유사합니다(증발 과정이 없음). 최근에 구리 수도관을 납땜했습니다. 이 공정은 가스 버너를 땜납의 녹는 온도까지 가열하여 발생합니다. 커플링이 있는 조인트 하나의 가열 시간은 약 1분입니다. 조인트 하나를 커플링에 납땜했는데 몇 분 후에 잘못 납땜했다는 것을 깨달았습니다. 커플 링에서 파이프를 약간 회전시켜야했습니다. 나는 버너로 접합부를 다시 가열하기 시작했고 놀랍게도 접합부를 녹는 온도까지 가열하는 데 3-4분이 걸렸습니다. 어때요!? 결국 파이프는 여전히 뜨겁고 녹는 온도까지 가열하는 데 훨씬 적은 에너지가 필요한 것처럼 보이지만 모든 것이 반대인 것으로 나타났습니다. 그것은 이미 가열된 파이프에서 훨씬 더 높은 열전도율에 관한 것이며, 2분 안에 가열된 파이프와 차가운 파이프 사이의 경계가 접합부에서 멀리 이동했습니다. 이제 물에 대해서. 뜨거운 용기와 반가열 용기의 개념으로 운영하겠습니다. 뜨거운 용기에서는 이동성이 높은 뜨거운 입자와 느리게 움직이는 차가운 입자 사이에 좁은 온도 경계가 형성됩니다. 이 입자는 주변에서 중심으로 상대적으로 빠르게 이동합니다. 왜냐하면 이 경계에서 빠른 입자가 빠르게 에너지를 포기하기 때문입니다(냉각됨). 경계 반대편의 입자에 의해. 외부 차가운 입자의 부피가 더 크므로 빠른 입자는 열 에너지를 포기하고 외부 차가운 입자를 크게 따뜻하게 할 수 없습니다. 따라서 온수를 냉각하는 과정은 비교적 빠르게 진행됩니다. 반가열수는 열전도율이 훨씬 낮고 반가열수와 차가운 입자의 경계 폭이 훨씬 넓습니다. 이러한 넓은 경계의 중심으로의 이동은 뜨거운 용기의 경우보다 훨씬 더 느리게 발생합니다. 결과적으로 뜨거운 용기는 따뜻한 용기보다 더 빨리 냉각됩니다. 용기 중앙에서 가장자리까지 여러 개의 온도 센서를 배치하여 다양한 온도의 물 냉각 과정의 역학을 추적해야 한다고 생각합니다.
맥스, 2016년 11월 19일 05:07
확인되었습니다. Yamal에서는 추울 때 뜨거운 물이 담긴 파이프가 얼어서 따뜻하게 해야 하지만 차가운 파이프는 그렇지 않습니다!
아르템, 2016년 12월 9일 01:25
어렵지만 찬물은 뜨거운 물보다 밀도가 높고 끓인 물보다 더 좋다고 생각하는데 여기서 냉각 속도가 빨라지는 등의 현상이 있습니다. 뜨거운 물이 차가운 온도에 도달하여 그것을 추월하고, 위에서 설명한 것처럼 뜨거운 물이 위에서 얼지 않고 아래에서 얼었다는 사실을 고려하면 프로세스 속도가 크게 빨라집니다!
알렉산더 세르게예프, 21.08.2017 10:52
그러한 효과는 없습니다. 아아. 2016년에 이 주제에 대한 자세한 기사가 Nature에 게재되었습니다: https://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_eff 신중한 실험을 통해 (따뜻한 물과 차가운 물의 샘플이 모든 것에서 동일한 경우) 온도 제외) 효과는 관찰되지 않습니다.
Zavlab, 2017년 8월 22일 05:31
빅터 , 2017년 10월 27일 03:52
"정말이에요." - 학교에서 열용량과 에너지 보존 법칙이 무엇인지 이해하지 못했다면. 확인하기 쉽습니다. 이를 위해서는 욕망, 머리, 손, 물, 냉장고 및 알람 시계가 필요합니다. 그리고 전문가들이 쓴 것처럼 스케이트장은 찬물로 얼고 (채워지고) 잘린 얼음은 따뜻한 물로 수평을 이룹니다. 그리고 겨울에는 물이 아닌 세탁기통에 부동액을 부어야 합니다. 어떤 경우에도 물은 얼고 찬물은 더 빨리 얼 것입니다.
이리나, 2018년 1월 23일 10:58
전 세계의 과학자들은 아리스토텔레스 시대부터 이 역설로 어려움을 겪고 있으며 Victor, Zavlab 및 Sergeev가 가장 똑똑한 것으로 밝혀졌습니다.
데니스, 2018년 2월 1일 08:51
기사에는 모든 것이 올바르게 작성되었습니다. 그러나 그 이유는 다소 다릅니다. 끓는 과정에서 물에 용해된 공기가 증발하므로 끓는 물이 냉각됨에 따라 밀도는 궁극적으로 동일한 온도에서 원수의 밀도보다 낮아집니다. 밀도가 다른 것 외에 열전도율이 다른 다른 이유는 없습니다.
Zavlab, 2018년 3월 1일 08:58 | 연구실장
Irina:), "전 세계의 과학자들"은 이 "역설"로 어려움을 겪지 않습니다. 실제 과학자들에게는 이 "역설"이 단순히 존재하지 않습니다. 이는 잘 재현 가능한 조건에서 쉽게 검증됩니다. 아프리카 소년 음펨바(Mpemba)의 재현 불가능한 실험으로 인해 "역설"이 나타났고 유사한 "과학자"에 의해 부풀려졌습니다 :)
미로랜드, 2019/03/23 07:20
아프리카의 중심부에 살고 있는 탄자니아 소년은 아마도 눈을 본 적이 없을 것입니다... ;-D 제가 혼란스럽지 않습니까???)))
세르게이, 2019년 4월 14일 02:02
우리는 두 개의 탄성 밴드를 가져와 둘 다 늘려서 (차가운 물과 따뜻한 물의 내부 에너지와 유사) 동시에 탄성 밴드의 한쪽 끝을 풀어줍니다. 어떤 고무밴드가 더 빨리 줄어들까요?
아르타니스 , 2019년 5월 8일 03:34
나는 방금이 경험을 직접 겪었습니다. 완전히 똑같은 두 컵의 뜨거운 물과 차가운 물을 냉동실에 넣었습니다. 차가운 것은 훨씬 빨리 얼었습니다. 더운 곳은 아직 조금 따뜻했습니다. 내 경험에 어떤 문제가 있나요?
Zavlab, 2019년 5월 9일 06:21 |
Artanis, 귀하의 경험에 따르면 "모든 것이 그렇습니다" :) - "음펨바 효과"는 올바르게 수행된 실험에서는 존재하지 않습니다. 이는 초기 온도만 다를 뿐 동일한 양의 물에 대해 동일한 냉각 조건을 보장합니다. 축하합니다. 귀하는 빛, 이성, 기본 물리법칙의 승리 쪽으로 넘어갔고 'Mpemba 종파'와 YouTube 동영상 팬에서 '그들이 우리에게 거짓말을 한 것' 스타일로 벗어나기 시작했습니다. 물리학 수업”... :)
Moiseeva N.P. , 2019년 5월 16일 04:30 | Ch. 편집자
당신 말이 맞습니다. 실험 조건에 따라 많은 것이 달라집니다. 그러나 그 효과가 전혀 관찰되지 않았다면 연구도 없었을 것이고 전문 저널에 출판도 없었을 것입니다. 메모를 끝까지 읽으셨나요? 여기에는 YouTube 동영상에 대한 이야기가 없습니다.
Zavlab, 2019년 8월 6일 05:26 | SlavNeftGas-YuzhNorthZapEast-Sintez뭐든지 간에
Natalya Petrovna, 우리는 과학의 "재현성 위기" 시대에 살고 있습니다. "출판 아니면 멸망"이라는 슬로건 아래 인용 지수를 높이기 위해 "비참한 과학자들"이 분명히 모호한 실험을 입증하기 위해 미친 이론을 발명하는 데 경쟁하는 것을 선호합니다. 순전히 이론적인 기사를 읽기 전에 이 데이터를 확인하는 데 약간의 시간과 리소스를 소비하는 대신 데이터를 살펴보세요. 그러한 "비참한 과학자"의 예는 기사에서 언급한 바로 "싱가포르의 물리학자"입니다. 그들의 출판물에는 자체 실험 데이터가 포함되어 있지 않고 "O:H-O"라는 난해한 현상의 가능한 영향에 대한 이론적 추론만 포함되어 있습니다. 결합 변칙 완화”는 이미 기원전 350년에 프란시스 베이컨, 르네 데카르트, 심지어 아리스토텔레스도 관찰한 변칙적인 물의 동결 과정을 다루고 있습니다. ... 그리고 개인적으로 자그레브 대학의 니콜라 브레고비치(Nikola Bregovic)가 재현 가능한 조건에서 좋은 장비를 사용한 후 영국 왕립화학회로부터 1000파운드의 상금을 받은 것을 매우 기쁘게 생각합니다. 소년 음펨바와 그의 추종자들은 측정이 얼마나 서투른지, 그리고 이러한 서투른 실험에 대한 "이론적 기초"를 제공하려고 노력한 사람들의 타당성에 대해 의문을 제기했습니다.
많은 연구자들이 뜨거운 물이 찬 물보다 더 빨리 어는 이유에 대해 자신만의 버전을 제시하고 제시하고 있습니다. 역설처럼 보일 것입니다. 결국 얼기 위해서는 뜨거운 물을 먼저 식혀야합니다. 그러나 사실은 여전히 사실이며 과학자들은 이를 다른 방식으로 설명합니다.
현재 이 사실을 설명하는 여러 버전이 있습니다.
- 뜨거운 물은 더 빨리 증발하기 때문에 부피가 줄어듭니다. 그리고 같은 온도에서 더 적은 양의 물이 얼면 더 빨리 얼게 됩니다.
- 냉장고의 냉동실에는 스노우 라이너가 있습니다. 뜨거운 물이 담긴 용기가 밑에 있는 눈을 녹입니다. 이는 냉동고와의 열 접촉을 향상시킵니다.
- 찬물은 뜨거운 물과 달리 어는 부분부터 시작됩니다. 동시에 대류와 열복사가 발생하여 결과적으로 열 손실이 악화됩니다.
- 냉수에는 결정화 센터, 즉 용해된 물질이 포함되어 있습니다. 물의 함량이 적 으면 결빙이 어렵지만 동시에 과냉각이 가능합니다. 영하의 온도에서는 액체 상태입니다.
공평하게 말하면 이 효과가 항상 관찰되는 것은 아니라고 말할 수 있습니다. 차가운 물이 뜨거운 물보다 빨리 얼는 경우가 많습니다.
물은 몇도에서 얼나요?
물이 전혀 얼지 않는 이유는 무엇입니까? 그것은 일정량의 미네랄 또는 유기 입자를 포함합니다. 예를 들어 매우 작은 모래, 먼지 또는 점토 입자일 수 있습니다. 공기 온도가 감소함에 따라 이러한 입자는 얼음 결정이 형성되는 중심이 됩니다.
결정화 핵의 역할은 물이 담긴 용기의 기포와 균열에 의해서도 수행될 수 있습니다. 물을 얼음으로 바꾸는 과정의 속도는 그러한 센터의 수에 크게 영향을 받습니다. 센터가 많으면 액체가 더 빨리 얼게 됩니다. 정상적인 조건, 정상적인 대기압에서 물은 온도 0도에서 액체에서 고체 상태로 변합니다.
음펨바 효과의 본질
음펨바 효과는 역설인데, 그 본질은 특정 상황에서 뜨거운 물이 찬 물보다 더 빨리 어는 것입니다. 이 현상은 아리스토텔레스와 데카르트에 의해 발견되었습니다. 그러나 1963년이 되어서야 탄자니아의 남학생 Erasto Mpemba는 뜨거운 아이스크림이 차가운 아이스크림보다 더 짧은 시간에 얼어붙는다는 사실을 발견했습니다. 그는 요리 과제를 마치면서 이런 결론을 내렸습니다.
그는 끓인 우유에 설탕을 녹여 식힌 다음 냉장고에 넣어 얼려야했습니다. 분명히 Mpemba는 특별히 부지런하지 않았으며 작업의 첫 번째 부분을 늦게 완료하기 시작했습니다. 따라서 그는 우유가 식을 때까지 기다리지 않고 뜨거운 냉장고에 넣었습니다. 주어진 기술에 맞춰 작업을 하고 있던 동급생들보다 훨씬 빨리 얼어붙는 모습에 그는 매우 놀랐다.
이 사실은 청년에게 매우 흥미로웠고 그는 일반 물로 실험을 시작했습니다. 1969년 물리학 교육(Physics Education) 저널은 다르에스살람대학교의 음펨바(Mpemba)와 데니스 오스본(Dennis Osborne) 교수의 연구 결과를 발표했습니다. 그들이 설명한 효과에는 Mpemba라는 이름이 주어졌습니다. 그러나 오늘날에도 이 현상에 대한 명확한 설명은 없습니다. 모든 과학자들은 이것의 주요 역할이 냉수와 온수의 특성 차이에 속한다는 데 동의하지만 정확히 무엇인지는 알려져 있지 않습니다.
싱가포르 버전
싱가포르 대학 중 한 곳의 물리학자들은 뜨거운 물과 차가운 물 중 어떤 물이 더 빨리 얼는지에 대한 질문에도 관심이 있었습니다. Xi Zhang이 이끄는 연구팀은 이 역설을 물의 특성으로 정확하게 설명했습니다. 모두가 학교에서 물의 구성, 즉 산소 원자와 두 개의 수소 원자를 알고 있습니다. 산소는 어느 정도 수소로부터 전자를 끌어당기므로 분자는 일종의 "자석"이 됩니다.
결과적으로 물 속의 특정 분자는 서로 약간 끌어당겨 수소 결합으로 결합됩니다. 그 강도는 공유 결합의 강도보다 몇 배나 낮습니다. 싱가포르 연구자들은 음펨바의 역설에 대한 설명이 바로 수소 결합에 있다고 믿습니다. 물 분자가 서로 매우 촘촘하게 배치되어 있으면 분자 사이의 강한 상호 작용으로 인해 분자 자체의 중간에 있는 공유 결합이 변형될 수 있습니다.
그러나 물이 가열되면 결합된 분자는 서로 약간 멀어집니다. 결과적으로 과도한 에너지가 방출되고 더 낮은 에너지 수준으로 전환되면서 분자 중간에서 공유 결합이 완화됩니다. 이로 인해 뜨거운 물이 빠르게 냉각되기 시작합니다. 적어도 이는 싱가포르 과학자들이 수행한 이론적 계산이 보여주는 것입니다.
물을 즉시 얼려보세요 - 5가지 놀라운 트릭: 비디오
안녕하세요, 흥미로운 사실을 사랑하는 여러분. 오늘 우리는 당신에게 이야기 할 것입니다. 하지만 제목에 제기된 질문은 단순히 터무니없는 것처럼 보일 수도 있지만 엄격하게 확립된 테스트 실험이 아닌 악명 높은 "상식"을 항상 전적으로 신뢰해야 한다고 생각합니다. 뜨거운 물이 찬 물보다 빨리 어는 이유를 알아볼까요?
역사적 참고자료
아리스토텔레스의 작품에서는 추위와 뜨거운 물의 동결 문제에 대해 "모든 것이 순수한 것은 아니다"라고 언급했으며 F. Bacon, R. Descartes 및 J. Black도 비슷한 메모를했습니다. 최근 역사에서 이 효과는 "음펨바의 역설(Mpemba's Paradox)"이라는 이름으로 명명되었습니다. 이는 탕가니카 출신의 남학생 Erasto Mpemba가 방문 물리학 교수에게 동일한 질문을 한 것의 이름을 따서 명명되었습니다.
소년의 질문은 갑자기 나온 것이 아니라 부엌에서 아이스크림 혼합물을 냉각하는 과정을 순전히 개인적으로 관찰한 결과였습니다. 물론 그곳에 있던 급우들은 학교 교사와 함께 Mpemba를 웃게 만들었습니다. 그러나 D. Osborne 교수가 직접 실험 테스트를 마친 후 Erasto를 놀리려는 욕구가 그들에게서 "사라졌습니다". 더욱이 Mpemba는 교수와 함께 1969년에 Physics Education에 이 효과에 대한 자세한 설명을 발표했으며 그 이후로 위에서 언급한 이름은 과학 문헌에 고정되었습니다.
현상의 본질은 무엇인가?
실험 설정은 매우 간단합니다. 다른 모든 조건이 동일하고 온도만 다르고 엄격하게 동일한 양의 물을 포함하는 동일한 얇은 벽 용기를 테스트합니다. 용기를 냉장고에 넣은 후 각 용기에 얼음이 형성될 때까지의 시간이 기록됩니다. 역설적인 점은 처음에 더 뜨거운 액체가 들어 있는 용기에서는 이런 일이 더 빨리 일어난다는 것입니다.
현대 물리학은 이것을 어떻게 설명합니까?
여러 병렬 프로세스가 함께 발생하고 그 기여도가 특정 초기 조건에 따라 달라질 수 있기 때문에 역설에는 보편적인 설명이 없지만 결과는 동일합니다.
- 과냉각되는 액체의 능력 - 처음에는 차가운 물이 과냉각되기 쉽습니다. 온도가 이미 어는점 이하일 때 액체 상태로 유지됩니다.
- 가속 냉각 - 뜨거운 물의 증기가 얼음 미세 결정으로 변환되어 뒤로 물러날 때 추가 "외부 열 교환기"로 작동하여 공정을 가속화합니다.
- 단열 효과 - 뜨거운 물과 달리 차가운 물은 위에서 얼기 때문에 대류와 복사에 의한 열 전달이 감소합니다.
그 밖에도 여러 가지 설명이 있지만(영국 왕립화학회가 마지막으로 최고의 가설을 놓고 경쟁을 벌인 것은 최근인 2012년이었습니다). 그러나 입력 조건 조합의 모든 경우에 대한 명확한 이론은 아직 없습니다.
영국왕립화학회(British Royal Society of Chemistry)는 어떤 경우에는 뜨거운 물이 찬 물보다 더 빨리 어는 이유를 과학적으로 설명할 수 있는 사람에게 £1,000의 상금을 제공할 예정입니다.
“현대 과학은 여전히 겉보기에 간단해 보이는 이 질문에 대답할 수 없습니다. 아이스크림 메이커와 바텐더는 일상 업무에서 이 효과를 사용하지만 실제로 왜 작동하는지 아는 사람은 없습니다. 이 문제는 수천 년 동안 알려져 왔으며 아리스토텔레스와 데카르트 같은 철학자들도 이에 대해 생각하고 있었습니다.”라고 영국 왕립 화학 학회 회장인 데이비드 필립스 교수는 학회 보도 자료에서 인용했습니다.
아프리카 출신 요리사가 영국 물리학 교수를 물리친 이야기
이것은 만우절 농담이 아니라 가혹한 물리적 현실입니다. 은하와 블랙홀을 쉽게 조작하고 쿼크와 보존을 찾기 위해 거대한 가속기를 만드는 현대 과학은 기본 물이 어떻게 작동하는지 설명할 수 없습니다. 학교 교과서에는 차가운 몸을 식히는 것보다 뜨거운 몸을 식히는 데 더 많은 시간이 걸린다고 명시되어 있습니다. 그러나 물의 경우 이 법칙이 항상 준수되는 것은 아닙니다. 아리스토텔레스는 기원전 4세기에 이 역설에 주목했습니다. 이자형. 고대 그리스인이 자신의 저서 Meteorologica I에서 쓴 내용은 다음과 같습니다. “물이 예열된다는 사실로 인해 물이 얼게 됩니다. 그래서 많은 사람들은 뜨거운 물을 더 빨리 식히고 싶을 때 먼저 햇빛에 놓아두는 편이다...” 중세에는 프란시스 베이컨과 르네 데카르트가 이 현상을 설명하려고 했습니다. 아쉽게도 고전 열물리학을 발전시킨 위대한 철학자들이나 수많은 과학자들은 이에 성공하지 못했기 때문에 그러한 불편한 사실은 오랫동안 "잊혀졌습니다".
그리고 1968년에야 그들은 과학과는 거리가 먼 탄자니아 출신의 남학생 Erasto Mpembe 덕분에 "기억"되었습니다. 1963년 요리 학교에서 공부하던 중, 13세의 음펨베는 아이스크림을 만드는 임무를 맡았습니다. 기술에 따르면 우유를 끓여서 설탕을 녹인 다음 실온으로 식힌 다음 냉장고에 넣어 얼려야했습니다. 분명히 Mpemba는 부지런한 학생이 아니었고 주저했습니다. 수업이 끝날 때까지 자리를 지키지 못할까 봐 두려워서 그는 아직 뜨거운 우유를 냉장고에 넣었습니다. 놀랍게도 그것은 모든 규칙에 따라 준비된 동료들의 우유보다 훨씬 일찍 얼었습니다.
Mpemba는 자신의 발견을 물리 선생님과 공유했을 때 학급 전체가 보는 앞에서 그를 비웃었습니다. Mpemba는 모욕을 기억했습니다. 5년 후, 이미 다르에스살람 대학에 다니던 그는 유명한 물리학자 데니스 G. 오스본(Denis G. Osborne)의 강의에 참석했습니다. 강의가 끝난 후 그는 과학자에게 다음과 같은 질문을 했습니다. “동일한 양의 물이 담긴 두 개의 동일한 용기, 즉 하나는 35°C(95°F)이고 다른 하나는 100°C(212°F)인 경우, 냉동실에 넣으면 뜨거운 용기에 담긴 물이 더 빨리 얼 것입니다. 왜?" 갓포세이큰(Godforsaken) 탄자니아 출신 청년의 질문에 영국인 교수가 어떤 반응을 보일지 상상할 수 있습니다. 그는 그 학생을 놀렸습니다. 그러나 Mpemba는 그러한 대답을 할 준비가 되어 있었고 과학자에게 내기를 걸었습니다. 그들의 논쟁은 Mpemba가 옳았고 Osborne이 패배했음을 확인한 실험적 테스트로 끝났습니다. 그리하여 견습 요리사는 과학사에 이름을 올렸고, 이제부터 이 현상을 '음펨바 효과'라고 부른다. 그것을 폐기하고 "존재하지 않는다"고 선언하는 것은 불가능합니다. 현상은 존재하며 시인이 쓴 것처럼 "아프지 않습니다."
먼지 입자와 용질이 책임이 있습니까?
수년에 걸쳐 많은 사람들이 물이 어는 미스터리를 풀려고 노력해 왔습니다. 이 현상에 대해 증발, 대류, 용해된 물질의 영향 등 다양한 설명이 제안되었지만 이러한 요인 중 어느 것도 확정적인 것으로 간주될 수 없습니다. 많은 과학자들이 음펨바 효과에 평생을 바쳤습니다. 뉴욕주립대학교 방사선안전학과 제임스 브라운리지(James Brownridge)는 10년 동안 여가 시간을 이용하여 이 역설을 연구해 왔습니다. 수백 번의 실험을 수행한 후 과학자는 저체온증의 "죄책감"에 대한 증거를 가지고 있다고 주장합니다. Brownridge는 0°C에서 물은 과냉각만 되고 온도가 그 이하로 떨어지면 얼기 시작한다고 설명합니다. 어는점은 물 속의 불순물에 의해 조절됩니다. 즉, 얼음 결정의 형성 속도를 변화시킵니다. 먼지 입자, 박테리아 및 용해된 염분과 같은 불순물은 결정화 중심 주변에 얼음 결정이 형성될 때 특징적인 핵 생성 온도를 갖습니다. 물에 여러 원소가 동시에 존재할 때, 어는점은 핵 생성 온도가 가장 높은 원소에 의해 결정됩니다.
실험을 위해 Brownridge는 동일한 온도의 물 샘플 두 개를 채취하여 냉동고에 넣었습니다. 그는 아마도 불순물의 다른 조합으로 인해 표본 중 하나가 항상 다른 표본보다 먼저 얼었다는 것을 발견했습니다.
Brownridge는 물과 냉동실의 온도 사이에 더 큰 차이가 있기 때문에 뜨거운 물이 더 빨리 냉각된다고 말합니다. 이는 찬물이 최소 5°C 더 낮은 자연 어는점에 도달하기 전에 어는점에 도달하는 데 도움이 됩니다.
그러나 Brownridge의 추론은 많은 질문을 제기합니다. 따라서 음펨바 효과를 자신만의 방식으로 설명할 수 있는 사람들은 영국왕립화학회로부터 천 파운드를 놓고 경쟁할 기회를 갖게 됩니다.
1963년에 Erasto Mpemba라는 탄자니아 남학생이 선생님에게 어리석은 질문을 했습니다. 왜 냉동고에 있는 따뜻한 아이스크림이 차가운 아이스크림보다 빨리 얼까요?
탄자니아 마감비 고등학교 학생이었던 에라스토 음펨바는 요리사로 실습을 했습니다. 그는 집에서 아이스크림을 만들어야했습니다. 우유를 끓여서 설탕을 녹인 다음 실온으로 식힌 다음 냉장고에 넣어 얼려야했습니다. 분명히 Mpemba는 특별히 부지런한 학생이 아니었고 작업의 첫 번째 부분을 완료하는 것을 지연했습니다. 수업이 끝날 때까지 자리를 지키지 못할까 봐 두려워서 그는 아직 뜨거운 우유를 냉장고에 넣었습니다. 놀랍게도 그것은 주어진 기술에 따라 준비된 동료들의 우유보다 더 일찍 얼었습니다.
그는 설명을 위해 물리학 교사에게로 향했지만 그는 학생을 비웃으며 다음과 같이 말했습니다. “이것은 보편적 물리학이 아니라 음펨바 물리학입니다.” 그 후 Mpemba는 우유뿐만 아니라 일반 물로도 실험했습니다.
어쨌든 그는 이미 Mkwava 중등학교 학생이었을 때 Dar Es Salaam에 있는 University College의 Dennis Osborne 교수(학생들에게 물리학에 대한 강의를 하기 위해 학교 교장의 초대를 받았음)에게 구체적으로 물에 관해 물었습니다. 동일한 양의 물을 담은 두 개의 동일한 용기 중 하나의 물 온도는 35°C이고 다른 하나의 온도는 100°C로 냉동고에 넣으면 두 번째 용기의 물은 더 빨리 얼게 됩니다. 왜?" Osborne은 이 문제에 관심을 가지게 되었고 곧 1969년에 그와 Mpemba는 그들의 실험 결과를 Physics Education 저널에 발표했습니다. 그 이후로 그들이 발견한 효과는 음펨바 효과(Mpemba effect)라고 불렸습니다.
왜 이런 일이 발생하는지 알고 싶나요? 불과 몇 년 전만 해도 과학자들은 이 현상을 설명할 수 있었습니다.
음펨바 효과(음펨바 역설)는 어는 과정에서 찬 물의 온도를 통과해야 하지만 어떤 조건에서는 뜨거운 물이 찬 물보다 더 빨리 어는다는 역설입니다. 이 역설은 동일한 조건에서 더 가열된 물체가 특정 온도로 냉각되는 데 비해 덜 가열된 물체가 동일한 온도로 냉각되는 데 더 많은 시간이 걸린다는 일반적인 아이디어와 모순되는 실험적 사실입니다.
이 현상은 당시 아리스토텔레스, 프란시스 베이컨, 르네 데카르트에 의해 발견되었습니다. 지금까지 이 이상한 효과를 정확히 설명하는 방법을 아는 사람은 아무도 없습니다. 과학자들은 비록 많은 버전이 있지만 단일 버전을 가지고 있지 않습니다. 그것은 뜨거운 물과 차가운 물의 특성의 차이에 관한 것이지만, 이 경우 과냉각, 증발, 얼음 형성, 대류의 차이 또는 액화 가스가 물에 미치는 영향 등 어떤 특성이 역할을 하는지는 아직 명확하지 않습니다. 다른 온도. 음펨바 효과의 역설은 신체가 주변 온도까지 냉각되는 시간이 이 신체와 환경 사이의 온도 차이에 비례해야 한다는 것입니다. 이 법칙은 뉴턴에 의해 확립되었으며 이후 실제로 여러 번 확인되었습니다. 이 효과로, 100°C의 물은 같은 양의 35°C의 물보다 0°C의 온도로 더 빨리 냉각됩니다.
그 이후로 다양한 버전이 표현되었으며 그 중 하나는 다음과 같습니다. 먼저 뜨거운 물의 일부가 단순히 증발한 다음, 남은 물이 줄어들면 물이 더 빨리 얼게 됩니다. 이 버전은 단순성으로 인해 가장 인기가 있었지만 과학자들을 완전히 만족시키지 못했습니다.
이제 화학자 시 장(Xi Zhang)이 이끄는 싱가포르 난양공과대학 연구팀이 따뜻한 물이 찬 물보다 빨리 어는 이유에 대한 오래된 미스터리를 풀었다고 밝혔습니다. 중국 전문가들이 밝혀냈듯이, 그 비밀은 물 분자 사이의 수소 결합에 저장된 에너지의 양에 있습니다.
아시다시피 물 분자는 공유 결합으로 결합된 하나의 산소 원자와 두 개의 수소 원자로 구성됩니다. 이는 입자 수준에서 전자 교환처럼 보입니다. 또 다른 잘 알려진 사실은 수소 원자가 이웃 분자의 산소 원자에 끌려 수소 결합이 형성된다는 것입니다.
동시에 물 분자는 일반적으로 서로 반발합니다. 싱가포르의 과학자들은 물이 따뜻할수록 반발력이 증가하여 액체 분자 사이의 거리가 멀어진다는 사실을 발견했습니다. 결과적으로 수소 결합이 늘어나 더 많은 에너지를 저장합니다. 이 에너지는 물이 냉각될 때 방출됩니다. 분자는 서로 더 가까워집니다. 그리고 알려진 바와 같이 에너지 방출은 냉각을 의미합니다.
과학자들이 제시한 가정은 다음과 같습니다.
증발
뜨거운 물은 용기에서 더 빨리 증발하여 부피가 줄어들고 동일한 온도에서 더 적은 양의 물이 더 빨리 얼게 됩니다. 100°C로 가열된 물은 0°C로 냉각되면 질량의 16%를 잃습니다. 증발 효과는 이중 효과입니다. 첫째, 냉각에 필요한 물의 양이 감소합니다. 둘째, 증발로 인해 온도가 감소합니다.
온도차
뜨거운 물과 차가운 공기의 온도차가 더 크기 때문에 이 경우 열교환이 더 강해지고 뜨거운 물이 더 빨리 냉각됩니다.
저체온증
물이 0°C 이하로 냉각될 때 항상 얼지는 않습니다. 어떤 조건에서는 과냉각을 겪을 수 있으며 영하의 온도에서도 계속 액체 상태를 유지할 수 있습니다. 어떤 경우에는 물이 -20°C의 온도에서도 액체로 남아있을 수 있습니다. 이러한 효과가 나타나는 이유는 첫 번째 얼음 결정이 형성되기 시작하려면 결정 형성 센터가 필요하기 때문입니다. 액체 물에 존재하지 않으면 결정이 자발적으로 형성될 수 있을 만큼 온도가 떨어질 때까지 과냉각이 계속됩니다. 과냉각된 액체에서 형성되기 시작하면 더 빠르게 성장하여 진창 얼음을 형성하고, 이것이 얼어 얼음을 형성하게 됩니다. 뜨거운 물은 가열하면 용존 가스와 기포가 제거되어 얼음 결정 형성의 중심 역할을 할 수 있기 때문에 저체온증에 가장 취약합니다. 저체온증으로 인해 뜨거운 물이 더 빨리 얼게 되는 이유는 무엇입니까? 과냉각되지 않은 냉수의 경우 다음과 같은 일이 발생합니다. 표면에 얇은 얼음 층이 형성되어 물과 차가운 공기 사이의 절연체 역할을 하여 추가 증발을 방지합니다. 이 경우 얼음 결정 형성 속도는 낮아집니다. 과냉각되는 온수의 경우, 과냉각수에는 보호용 얼음층이 없습니다. 따라서 열린 상단을 통해 훨씬 더 빨리 열을 잃습니다. 과냉각 과정이 끝나고 물이 얼면 훨씬 더 많은 열이 손실되어 더 많은 얼음이 형성됩니다. 이 효과를 연구하는 많은 연구자들은 음펨바 효과의 경우 저체온증을 주요 요인으로 간주합니다.
전달
찬물은 위에서 얼기 시작하여 열복사 및 대류 과정을 악화시켜 열 손실을 일으키고, 뜨거운 물은 아래에서 얼기 시작합니다. 이 효과는 물 밀도의 이상으로 설명됩니다. 물의 밀도는 4°C에서 최대입니다. 물을 4°C로 식힌 다음 온도가 더 낮은 환경에 놓으면 물의 표면층이 더 빨리 얼게 됩니다. 이 물은 4°C의 물보다 밀도가 낮기 때문에 표면에 남아 얇고 차가운 층을 형성합니다. 이러한 조건에서는 짧은 시간 내에 수면에 얇은 얼음층이 형성되지만, 이 얼음층은 절연체 역할을 하여 4°C의 온도를 유지하는 낮은 물층을 보호합니다. . 따라서 추가 냉각 과정이 느려집니다. 뜨거운 물의 경우 상황은 완전히 다릅니다. 물의 표면층은 증발과 더 큰 온도차로 인해 더 빨리 냉각됩니다. 또한 냉수층은 온수층보다 밀도가 높기 때문에 냉수층이 가라앉으면서 온수층이 표면으로 올라오게 됩니다. 이러한 물의 순환은 온도의 급격한 강하를 보장합니다. 그런데 왜 이 과정이 평형점에 도달하지 못하는 걸까요? 대류의 관점에서 음펨바 효과를 설명하려면 차가운 물층과 뜨거운 물층이 분리되어 있고 평균 수온이 4°C 아래로 떨어진 후에도 대류 과정 자체가 계속된다고 가정해야 합니다. 그러나 차가운 물층과 뜨거운 물층이 대류 과정에 의해 분리된다는 이 가설을 뒷받침하는 실험적 증거는 없습니다.
물에 용해된 기체
물에는 항상 산소와 이산화탄소라는 가스가 용해되어 있습니다. 이 가스는 물의 어는점을 낮추는 능력이 있습니다. 물이 가열되면 이러한 가스는 물에 대한 용해도가 고온에서 낮아지기 때문에 물에서 방출됩니다. 따라서 뜨거운 물이 냉각되면 항상 가열되지 않은 찬물보다 용존 가스가 적습니다. 따라서 가열된 물의 어는점은 더 높고 더 빨리 얼게 됩니다. 이 사실을 확인하는 실험 데이터는 없지만 이 요소는 때때로 Mpemba 효과를 설명하는 주요 요소로 간주됩니다.
열 전도성
이 메커니즘은 작은 용기에 담긴 냉장실 냉동실에 물을 담을 때 중요한 역할을 할 수 있습니다. 이러한 조건에서 뜨거운 물이 담긴 용기가 냉동고 아래의 얼음을 녹여 냉동고 벽과의 열 접촉 및 열전도율을 향상시키는 것으로 관찰되었습니다. 결과적으로, 차가운 물통보다 뜨거운 물통의 열이 더 빨리 제거됩니다. 결과적으로 차가운 물이 담긴 용기는 아래의 눈을 녹이지 않습니다. 이러한 모든 조건은 많은 실험에서 연구되었지만 Mpemba 효과를 100% 재현하는 질문에 대한 명확한 대답은 얻지 못했습니다. 예를 들어, 1995년 독일 물리학자 David Auerbach는 과냉각수가 이 효과에 미치는 영향을 연구했습니다. 그는 과냉각 상태에 도달한 뜨거운 물이 찬물보다 더 높은 온도에서 얼고 따라서 차가운 물보다 더 빨리 얼게 된다는 것을 발견했습니다. 그러나 찬물은 뜨거운 물보다 더 빨리 과냉각 상태에 도달하여 이전 지연을 보상합니다. 또한, Auerbach의 결과는 뜨거운 물이 더 적은 결정화 센터로 인해 더 큰 과냉각을 달성할 수 있다는 이전 데이터와 모순되었습니다. 물을 가열하면 물에 용해된 가스가 제거되고, 끓이면 용해된 일부 염이 침전됩니다. 현재로서는 한 가지만 말할 수 있습니다. 이 효과의 재현은 실험이 수행되는 조건에 따라 크게 달라집니다. 항상 재현되는 것은 아니기 때문입니다.
그러나 그들이 말했듯이 가장 가능성이 높은 이유입니다.
사전 인쇄 웹사이트 arXiv.org에서 찾을 수 있는 화학자들의 기사에 따르면, 수소 결합은 찬물보다 뜨거운 물에서 더 강합니다. 따라서 뜨거운 물의 수소 결합에 더 많은 에너지가 저장되는 것으로 나타났습니다. 이는 영하의 온도로 냉각될 때 더 많은 에너지가 방출된다는 것을 의미합니다. 이러한 이유로 경화가 더 빨리 발생합니다.
지금까지 과학자들은 이 미스터리를 이론적으로만 풀었습니다. 그들이 자신의 버전에 대한 설득력 있는 증거를 제시할 때 왜 뜨거운 물이 찬 물보다 더 빨리 얼는지에 대한 질문은 닫힌 것으로 간주될 수 있습니다.
