ИССЛЕДОВАНИЕ ПРАВДОПОДОБНОСТИ ЭФФЕКТА МПЕМБЫ

Сорокин Антон Константинович

Научный руководитель Семке Андрей Иванович

МОУ СОШ № 11 г.Ейска МО Ейский район Краснодарский край

Существует множество параметров, которые могут сказываться на скорости замерзания. Наиболее очевидные — объём используемой воды, размер и форма сосуда, температура холодильника. Это обстоятельство даёт широкий простор для деятельности экспериментаторов, которые, изменяя форму сосудов, объём воды и тип холодильника, способны построить многомерный массив данных, а потом его проанализировать. Существует также серьёзная методическая проблема: что считать точкой замерзания? Появление первого кристалла или полное исчезновение жидкости? „И то, и другое трудно зафиксировать, особенно когда опыт проходит в холодильнике“, — говорит Чарльз Найт из американского Национального центра атмосферных исследований. Видимо, эти сложности привели к тому, что эффект Мпембы остаётся до сих пор столь же загадочным, как и сорок лет назад. Многие исследователи пытались внести ясность, но ничего путного у них не получилось. Например, в 1977 году Джерл Уокер опубликовал в „Scientific American“ заметку с результатами своих опытов по охлаждению воды до 0°C. В некоторых из них эффект Мпембы проявлялся, причём даже воспроизводился, однако порой возникали сильные отклонения от построенных кривых. „Я не могу разрешить возникающие противоречия“, — честно признается автор.[4]

Гипотеза исследования: скорость изменения температуры воды зависит от начальной температуры воды, от  условий охлаждения, от наличия растворенных газов, от контакта с холодильной установкой

Объект исследования: вода (дистиллированная, минерализованная, природная)

Предмет исследования: скорость охлаждения воды и ее зависимость от различных факторов

Цель работы: проверка эффекта Мпембы в лабораторных условиях

Задачи:

1. разработать методику проведения эксперимента.

2. изучить процесс охлаждения и замерзания воды (количество теплоты, которое выделяется при охлаждении, удельная теплоемкость воды, зависимость удельной теплоемкости воды от плотности, процесс кристаллизации, температура кристаллизации, зависимость температуры замерзания от плотности воды).

3. исследовать зависимость скорости охлаждения воды от различных параметров.

Метод исследования.

В работе использованы теоретические и экспериментальные исследования, статистические методы обработки материалов. Расчет скорости охлаждения воды проведен эмпирическим способом с учетом различных факторов.

Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода (при некоторых условиях) может замёрзнуть быстрее, чем холодная. Хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания.

Мы провели экспериментальную проверку этого эффекта. Изменяя условия проведения опытов, определили скорость охлаждения воды и ее отвердевание.

В результате проведенных опытов, можно с уверенностью сказать, что процесс испарения воды при кристаллизации не играет исключительную роль при объяснении эффекта Мпембы. При одинаковых внешних условиях скорость охлаждения и кристаллизации оказалась наивысшей у воды, в которой была растворена соль.

Таким образом, наиболее вероятным объяснением эффекта Мпембы является наличие центров кристаллизации в виде растворенных солей и теплообмен. При минимизировании этих двух составляющих эффект не наблюдается. Так, при обороте стеклянных пробирок с водой в фольгу вода при 35 С кристаллизовалась в 1,5 раза быстрее, чем нагретая до 100С.

Таким образом, на основании полученных экспериментальных данных можно предложить следующие объяснения эффекта Мпембы:

1)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.)

2)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.)

3) 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.)

4) 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.)

5)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.)

6)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.)