Неліктен ыстық су суық суға қарағанда тезірек қатуы мүмкін

Көп жағдайда бұл құбылыс шындыққа жанаспайтындай көрінеді: температурасы жоғары сұйықтық баяу сууы керек сияқты. Алайда табиғатта кейбір құбылыстар біздің интуициямызға қарсы келеді. Солардың бірі — Мпемба эффектісі деп аталатын жағдай, мұнда ыстық су салқын суға қарағанда тезірек мұзға айналуы мүмкін. Бұл парадоксалды көрініс ежелден белгілі болғанымен, оны ғылыми тұрғыда зерттеу кейінгі уақыттарда кең тарады. Мұндай құбылысты түсіну үшін физикалық және химиялық факторларға тоқталып, оның себептерін жан-жақты талдау қажет.

Ыстық судың салқын суға қарағанда бұрын қатуы бірнеше себептерге байланысты болуы мүмкін. Олардың әрқайсысы процестің жекелеген қырларын түсіндіреді және жиынтығында осы ерекше жағдайды туындатуы ықтимал.

Булану мен жылу жоғалту әсері

Судың булануы — оның тез салқындауына әсер ететін маңызды факторлардың бірі.

• жоғары температурада су тез буланады;
• булану нәтижесінде судың көлемі азаяды;
• көлем азайған сайын салқындау жылдамдығы артады;
• булану кезінде жылу сыртқа шығады, бұл процесс салқындауды жеделдетеді;
• ашық ыдыстағы ыстық су булану арқылы мұзға айналуға жақындай түседі.

Бірдей көлемдегі ыстық және салқын суды мұздатқышқа қойсаңыз, ыстық су кейде алда келеді — дәл осы булану есебінен.

Конвекция және қозғалыс рөлі

Жылы су қозғалысқа келіп, ыдыс ішіндегі конвекциялық ағындар пайда болады. Бұл да мұзға айналу процесіне ықпал етеді.

1. Ыстық су ішінде жылу біркелкі таралады. Бұл — сұйықтықтың қозғалысы нәтижесінде пайда болатын ішкі конвекция әсері. Мұндай процестер шыны немесе металл ыдыстарда жақсы байқалады.
2. Төменгі және жоғарғы қабаттар арасындағы тығыздық айырмасы жылы суда күштірек болады. Бұл жағдай ішкі ағындарды күшейтіп, жылу сыртқы ортаға тезірек таралады.
3. Ал салқын суда қозғалыс аз. Әсіресе температура 4 °C шамасында болса, су тығыздығы максимумға жетіп, ағындар тежеледі. Бұл салқындау процесін баяулатады.

Осылайша, судың ішкі қозғалысы жылуды тиімді таратуға және оны тез жоғалтуға жағдай жасайды.

Артық суытылу және мұз құрылымы

Судың мұзға айналуы тек температурамен емес, сонымен қатар оның құрылымдық жағдайымен де байланысты.

• кейде салқын су 0 °C шамасында қатпай, төмен температураға дейін артық суытылуы мүмкін;
• бұл жағдайда мұздың түзілуіне қажетті кристалдану орталығы болмайды;
• ыстық су булану мен қозғалыс арқылы микробөлшектер мен ауытқулар жасайды;
• осындай микротолқулар мұз түзілуін ертерек бастауға себеп болады;
• нәтижесінде ыстық су 0 °C шамасында-ақ кристалдануы мүмкін.

Бұл құбылыс судың физикалық қасиеттерінің күрделі екенін және әртүрлі факторларға тәуелділігін көрсетеді.

Судың құрамы және еріген газдар

Судағы қоспалар мен газдардың болуы оның қату жылдамдығына айтарлықтай әсер етеді.

1. Қайнаған судан еріген газдар айтарлықтай шығып кетеді. Бұл оның біртекті құрылымға келуіне және тезірек мұз түзуіне жағдай жасайды.
2. Газ көп еріген немесе түрлі минералдарға бай сулар баяу қатып қалады. Мұндай сулар жылуды ұзақ сақтап, олардың жылу өткізгіштігі өзгеше болады.
3. Тазартылған және қыздырылған су ыдыс қабырғасындағы микротығыздықтар арқылы тезірек кристалданады. Бұл мұздың түзілуін жеңілдетеді.

Судың қату жылдамдығы оның тек бастапқы температурасына емес, құрамына да тәуелді.

Қай жағдайда Мпемба эффектісі айқын байқалады

Ыстық судың тез қатып қалу құбылысы барлық жағдайда байқалмайды. Ол көптеген факторларға байланысты өзгеріп отырады.

• ыдыстың материалы мен жылу өткізгіштігі үлкен рөл атқарады;
• ашық немесе жабық ыдыс булану деңгейін анықтайды;
• бастапқы температура айырмашылығы тым үлкен болмауы керек;
• қоршаған ортаның температурасы да маңызды — мысалы, -15 °C кезінде әсер айқынырақ көрінеді;
• шаң, ұсақ бөлшектер немесе ыдыс бетіндегі ақаулар мұздың түзілу орталығы болуы мүмкін.

Осындай жағдайлар тәжірибеде бұл эффектіні байқау неғұрлым дәл әрі жүйелі болуы үшін ескерілуі тиіс.

Ыстық судың салқын судан тез қатуы — біздің күнделікті түсінігімізге қайшы келетін қызықты құбылыс. Бұл жағдай табиғаттың күрделілігін, ал кейбір процестердің көп факторға тәуелді екенін дәлелдейді. Мұндай мысалдар ғылымға деген қызығушылықты арттырып, адамдардың сыни ойлау қабілетін дамытады. Бұл құбылыстың түпкілікті себебі әлі де толық анықталмағанымен, оны зерттеу жаңа ғылыми ізденістерге жол ашады.