אילו מים קופאים מהר יותר, חמים או קרים, מושפעים מגורמים רבים, אבל השאלה עצמה נראית קצת מוזרה. משתמע, וידוע מהפיסיקה, למים חמים עדיין צריך זמן להתקרר לטמפרטורה של מים קרים דומים כדי להפוך לקרח. עם מים קרים, ניתן לדלג על שלב זה, ובהתאם, הוא מנצח בזמן.
אבל את התשובה לשאלה אילו מים קופאים מהר יותר - קרים או חמים - ברחוב בכפור, יודע כל תושב בקווי הרוחב הצפוניים. למעשה, מבחינה מדעית, מתברר שבכל מקרה, מים קרים פשוט צריכים לקפוא מהר יותר.
כך גם המורה לפיזיקה, שאליו פנה תלמיד בית הספר ארסטו מפמבה ב-1963 בבקשה להסביר מדוע התערובת הקרה של הגלידה העתידית קופאת זמן רב יותר מאותו הדבר, אך חמה.
זו לא פיזיקת עולם, אלא איזושהי פיזיקת Mpemba
באותה תקופה, המורה רק צחק מזה, אבל דניס אוסבורן, פרופסור לפיזיקה, שבזמן מסוים למד באותו בית ספר שבו למד ארסטו, אישר ניסיוני את קיומה של השפעה כזו, למרות שהיה אין הסבר לזה אז. בשנת 1969 פרסם כתב עת מדעי פופולרי מאמר משותף של שני האנשים שתיארו את האפקט המוזר הזה.
מאז, אגב, לשאלה אילו מים קופאים מהר יותר - חמים או קרים, יש שם משלה - האפקט, או הפרדוקס, Mpemba.
השאלה עלתה מזמן
כמובן, תופעה כזו התרחשה בעבר, והיא הוזכרה בעבודותיהם של מדענים אחרים. לא רק תלמיד בית ספר התעניין בשאלה זו, אלא פרנסיס בייקון, רנה דקארט ואפילו אריסטו חשבו על זה בבת אחת.
זה רק הגישות לפתרון הפרדוקס הזה התחילו להיראות רק בסוף המאה העשרים.
תנאים להתרחשות פרדוקס
כמו בגלידה, לא רק מים רגילים קופאים במהלך הניסוי. חייבים להתקיים תנאים מסוימים כדי להתחיל להתווכח אילו מים קופאים מהר יותר - קרים או חמים. מה משפיע על התהליך הזה?
כעת, במאה ה-21, הוצגו כמה אפשרויות שיכולות להסבירהפרדוקס הזה. אילו מים קופאים מהר יותר, חמים או קרים, עשויים להיות תלויים בעובדה שלמים חמים יש קצב אידוי גבוה יותר מאשר מים קרים. כך, הנפח שלו יורד, ועם ירידה בנפח, זמן ההקפאה מתקצר מאשר אם לוקחים נפח התחלתי דומה של מים קרים.
המקפיא הופשר במשך זמן רב
איזה מים קופאים מהר יותר, ומדוע הם עושים זאת, יכולים להיות מושפעים מבטנת השלג שעלולה להיות במקפיא של המקרר המשמש לניסוי. אם תיקחו שני מיכלים זהים בנפחם, אך באחד מהם יהיו מים חמים ובשני מים קרים, המיכל עם המים החמים ימיס את השלג מתחתיו, ובכך ישפר את המגע של המפלס התרמי עם דופן המקרר. מיכל מים קרים לא יכול לעשות את זה. אם אין ריפוד כזה עם שלג בתא המקרר, מים קרים צריכים לקפוא מהר יותר.
למעלה - למטה
כמו כן, התופעה שבה מים קופאים מהר יותר - חמים או קרים, מוסברת כך. בעקבות חוקים מסוימים, מים קרים מתחילים לקפוא מהשכבות העליונות, כאשר מים חמים עושים זאת הפוך - הם מתחילים לקפוא מלמטה למעלה. מסתבר שמים קרים, בעלי שכבה קרה למעלה עם קרח שכבר נוצר במקומות מסוימים, פוגעים בכך בתהליכי ההסעה והקרינה התרמית, ובכך מסבירים אילו מים קופאים מהר יותר - קרים או חמים. תמונות של חובביםמצורפים ניסויים וזה נראה בבירור כאן.
חום יוצא החוצה, נוטה כלפי מעלה, ושם הוא פוגש שכבה צוננת מאוד. אין נתיב פנוי לקרינת חום, ולכן תהליך הקירור הופך לקשה. למים חמים אין שום מחסומים כאלה בדרכם. מה קופא מהר יותר - קר או חם, שהתוצאה הסבירה תלויה בו, אתה יכול להרחיב את התשובה בכך שבכל מים יש חומרים מסויימים מומסים בהם.
זיהומים בהרכב המים כגורם המשפיע על התוצאה
אם אינכם מרמים ומשתמשים במים בעלי אותו הרכב, כאשר הריכוזים של חומרים מסוימים זהים, אז מים קרים צריכים לקפוא מהר יותר. אבל אם מתרחש מצב שבו יסודות כימיים מומסים נמצאים רק במים חמים, בעוד למים קרים אין אותם, אז למים חמים יש הזדמנות לקפוא מוקדם יותר. זה מוסבר בעובדה שחומרים מומסים במים יוצרים מרכזי התגבשות, ועם מספר קטן של מרכזים אלה קשה הפיכת המים למצב מוצק. אפילו קירור-על של מים אפשרי, במובן זה שבטמפרטורות מתחת לאפס הם יהיו במצב נוזלי.
אבל כל הגרסאות הללו, ככל הנראה, לא התאימו לחלוטין למדענים והם המשיכו לעבוד על הנושא הזה. ב-2013, צוות חוקרים בסינגפור אמר שהם פתרו את התעלומה עתיקת היומין.
קבוצה של מדענים סיניים טוענת שסוד ההשפעה הזו טמון בכמות האנרגיה האצורה בין מולקולות המים בקשרים שלה, המכונות קשרי מימן.
רמז ממדענים סיניים
המידע הבא יבוא, שלצורך הבנתו אתה צריך להיות בעל ידע בכימיה כדי להבין אילו מים קופאים מהר יותר - חמים או קרים. כפי שאתה יודע, מולקולת מים מורכבת משני אטומי H (מימן) ואטום O (חמצן) אחד המוחזקים יחד בקשרים קוולנטיים.
אבל אטומי מימן של מולקולה אחת נמשכים גם למולקולות שכנות, למרכיב החמצן שלהן. הקשרים האלה הם שנקראים קשרי מימן.
כדאי לזכור שבמקביל, מולקולות מים פועלות באופן דוחה זו על זו. מדענים ציינו שכאשר מים מחוממים, המרחק בין המולקולות שלהם גדל, וזה מקל על ידי כוחות הדחייה. מתברר שניתן לומר כי קשרי מימן, התופסים מרחק אחד בין מולקולות במצב קר, נמתחים, ויש להם אספקה גדולה יותר של אנרגיה. מאגר האנרגיה הזה הוא שמשתחרר כאשר מולקולות מים מתחילות להתקרב זו לזו, כלומר מתרחשת התקררות. מסתבר שאספקת אנרגיה גדולה יותר במים חמים, ושחרור גדול יותר שלה בקירור לטמפרטורות מתחת לאפס, מתרחשת מהר יותר מאשר במים קרים, שיש להם אספקה כזו.פחות אנרגיה. אז איזה מים קופאים מהר יותר - קרים או חמים? פרדוקס המפמבה צריך להתרחש בחוץ ובמעבדה, ומים חמים צריכים להפוך לקרח מהר יותר.
אבל עדיין פתוח
יש רק אישור תיאורטי לרמז הזה - כל זה כתוב בנוסחאות יפות ונראה סביר. אבל כאשר נתוני הניסוי, שהמים קופאים מהר יותר - חמים או קרים, יוצגו במובן מעשי, ותוצאותיהם יוצגו, אז ניתן יהיה לשקול את שאלת פרדוקס המפמבה כסגורה.
