V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
На пути к эффекту Мпембы
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Цель: изучение процесса охлаждения и замерзания жидкостей.
Задачи:
1. Изучить литературу по теме работы.
2. Исследовать влияние примесей на скорость остывания жидкостей.
3. Исследовать влияние начальной температуры жидкости на процесс ее остывания.
4. Исследовать эффект Мпембы.
5. Исследовать влияние различных материалов, покрывающих сосуд, на процесс охлаждения жидкостей.
Проблема заключается в том, что слишком много разногласий между двумя теориями об эффекте Мпембы и обе не представляют понятного решения данного вопроса. Теория имеет много мифов и неподтвержденных заявлений.
Актуальность темы в том, что она непонятна большинству изучающих ее людям, на практике она малоприменима из-за отсутствия той же распространенности, в школах тема не преподается на должном уровне, в университетах ей не уделяется времени, она не считается приоритетной при изучении свойств жидкости и веществ, влияющих на процессы, протекаемые в жидкости.
Глава 1. Термодинамические парадоксы в исследовании жидкостей. §1. Историография проблемы разногласий между теориями об остывании жидкости и путей ее решения в ХХ веке.
Впервые такой проблемой заинтересовался Аристотель, самые ранние ссылки относятся к его трудам.
Эффект Мпембы - так называется утверждение, что горячая вода остывает быстрее холодной. Это утверждение, на первый взгляд, противоречит законам термодинамики. Однако ссылки ведут к первоисточнику, которым является Аристотель. В самом деле, поначалу казалось, что можно рассматривать эффект нарушения фундаментальных термодинамических законов, но мы показываем, что это не так. Мы продолжим изучение имеющихся доказательств эффекта Мпембы и проведем собственные опыты. Утверждение, данное в конце «горячая вода не остывает быстрее холодной» является неопределенной и неточной; горячая вода может быть сделана для охлаждения быстрее, чем холодная, обеспечивая больше энергии для охлаждения горячей воды, но именно в такой неспецифической предпосылке эффект Мпембы стал артефактом в области науки. Точнее, мы показываем, что для двух образцов воды, идентичных, за исключением разницы начальной температуры, охлажденных в тех же условиях до заданной температуры (например, температуры замерзания воды), первоначально более горячий образец будет занимать больше времени для охлаждения - вопреки утверждению эффекта Мпембы. Несмотря на неспецифический характер эффекта, эффект Мпембы был предметом многочисленных статей в международных широкоформатных газетах и был в центре внимания конкурса, организованного в 2012 году Королевским химическим объединением (RSC), которые получили значительную рекламу, например, специальный отчет о программе BBC Newsnight. Таким образом, эффект Мпембы нельзя просто игнорировать. Более того, как The Telegraph, так и The Daily Mail сообщили, что научная работа группы химиков, работающих в Сингапуре, обеспечивает молекулярный механизм для объяснения эффекта. Эти данные, а также ссылки на них, касаются молекулярных взаимодействий и водородной связи в жидкой воде.
Хотя результаты этих исследований представляют большой интерес для них, мы отмечаем, что мелкомасштабные молекулярные эффекты параметризуются в тепловых и флюидных свойствах свойств воды, которые известны с достаточной степенью точности и действительно изменяются с температурой , Таким образом, такие результаты дают путь к объяснению эффекта Мпембы только в том случае, если они приводят к значимому гистерезису в тепловых или флюидных свойствах воды. Модель, демонстрирующая гистерезис в охлаждении воды, представлена в работе. 5, который сравнивается с наблюдением эффекта Мпембы, задокументированным как часть научно-популярного конкурса, организованного RSC, - мы включаем экспериментальные наблюдения по ссылке. В рамках данных, проанализированных в настоящем исследовании. Наша цель - представить исследование истории эффекта Мпембы, изучить научные доказательства для него, рассмотреть основные физические механизмы для эффекта и определить, действительно ли эффект действительно существует каким-либо значимым образом. Нет ясного общепринятого научного определения эффекта «Мпембы». Мпемба и Осборн документируют время замораживания, в то время как другие включают процесс замораживания. Это отсутствие ясности отражается на уровне расхождений в литературе, который предлагает ряд различных объяснений. Вообще говоря, когда два образца воды охлаждают до одной и той же температуры, таким же образом, когда оба образца идентичны, за исключением их начальной температуры, и изначально более горячий образец охлаждается за меньшее время, можно считать, что эффект Мпембы был наблюдаемый. Температура, при которой время охлаждения сравнивается, часто выбирается равной 0 ° C (или ниже), что делает более тщательные измерения более сложными из-за изменения фазы, которое происходит при замораживании воды.
Наблюдения за замораживанием горячей воды за меньшее время, чем холодная вода, относятся к классической науке. Аристотель отметил, что древние греки Понтуса использовали эффекты, когда они расположились на льду, чтобы ловить рыбу, и подобные наблюдения были повторены Бэконом и Декарт. Более современное понимание этой явной аномалии варьируется от случайных экспериментов танзанийского школьника Эраста Мпембы (после которого явление широко известно), на соревнование, требующее объяснения этого явления со стороны комитета.
§2. Историография путей решения проблемы в XXI веке.
Эффект Мпембы является часто упоминаемой научной аномалией и широко используется в школьных и магистерских проектах физики. Эффект может казаться аномальным, так как при первом рассмотрении можно было бы проследить первый закон термодинамики. Интерпретация первого закона заключается в том, что изменение внутренней энергии замкнутой системы равно количеству подаваемого тепла (с учетом любой работы, выполняемой в системе или с помощью системы). Таким образом, при отсутствии работы при постоянном тепловом потоке естественно ожидать, что горячая вода займет больше времени для охлаждения до замораживания, чем более холодная вода. Однако, как правило, охлаждение не происходит в средах, которые можно рассматривать как вызывающие постоянный тепловой поток, вместо этого большинство процессов охлаждения происходит в (близких) условиях постоянной температуры. Одним из примеров этого является широко распространенное внутреннее образование кубиков льда в ледовых лотках, для которых лотки для льда обычно располагаются на холодной плите в морозильной камере и охлаждаются термостатическим морозильником, который действует для поддержания приблизительно постоянной температуры. Следовательно, ледяной поддон, заполненный теплой водой, испытывает большую разность температур и, следовательно, больший первоначальный тепловой поток по сравнению с поддоном для льда, заполненным более холодной водой. Кроме того, при наличии первоначально горячего образца морозильник может оставаться включенным и выполнять работу, чтобы дольше охлаждать охлаждение. Это, однако, отнюдь не объясняет эффект Мпембы - горячая вода должна занять некоторое время, чтобы остыть до начальной температуры холодного образца воды, после чего все остальное было бы равно, что ожидалось дальнейшее охлаждение теплого образца в то же время, что и охлаждение более холодного образца. Следовательно, теплой воде, в целом, потребуется больше времени для охлаждения. Таким образом, для наблюдения эффекта Мпембы должна быть какая-то разница в химии образцов или физика их охлаждения либо изначально, либо при эквивалентных температурах - понимание и изучение различных механизмов, которые могут вызвать такие различия, остается в центре внимания научные дискуссии.
Например, догадки ученых конца XX века приводят к четырем факторам, которые могут способствовать эффекту Мпембы, а именно:
испарение
растворенные газы
перемешивание конвективными потоками
переохлаждение.
Несомненно, все четыре процесса влияют на скорость охлаждения воды, хотя и в разной степени, и, в сущности, их эффекты могут быть сильно связаны. Например, в двух объемах воды, только отличающихся начальной температурой, а затем охлажденных в одинаковых условиях, можно было бы ожидать, что могут развиться различные конвективные потоки. Поэтому при значительно разных начальных температурах характерные времена, в течение которых данная водная частица остается в контакте с несовершенством в контейнере или примеси в воде (например, растворенные газы), будут варьироваться между двумя образцами, и поэтому уровень переохлаждения, необходимый для образования льда кристаллы также будут меняться. Таким образом, можно утверждать, что наблюдаемые изменения в степени, в которой происходит переохлаждение, должны возникать, по крайней мере частично, из-за различий в конвекционных токах и относительных уровней растворенных газов (что еще больше сказывается при испарении). Следовательно, все факторы, которые были предложены для индивидуального воздействия на эффект Мпембы, могут изменить степень переохлаждения, необходимую для того, чтобы вода замерзла.
В новой работе коллектива испанских физиков рассматривается модель жидкости в виде сыпучей среды, ключевой особенностью которой было то, что она представляет собой совокупность неупруго взаимодействующих шариков. В результате при соударении таких частиц они теряют энергию не только посредством тепловых потерь, что ускоряет процесс охлаждения.
Авторы обнаружили эффект Мпембы для определенного диапазона параметров системы, а также подтвердили существование «обратного эффекта Мпембы», то есть возможности более быстрого нагревания изначально более холодного тела. Физики утверждают, что явление может существовать в широком классе разнообразных систем. Также необходимо отметить, что изученная авторами ситуация больше соответствует изначальному эксперименту Мпембы (с молоком), чем опыты с чистой водой, так как крупные молекулы, растворенные в воде, также могут играть определяющую роль в явлении.
Глава 2. Опытное обоснование теории остывания жидкостей на основе эффекта Мпембы
Эксперименты, проведенные в данной главе, подтверждают рабочую гипотезу, которая утверждает, что горячая жидкость остывает быстрее холодной.
Было проведено 5 экспериментов, в которых исследовалась скорость остывания жидкостей разного рода.
Эксперимент №1. Измерение скорости остывания воды в зависимости от внешних факторов.
Были взяты 3 стеклянные бутылки объемом 0,5 литра. Вода была разлита при температуре 89 градусов. Первая бутылка была помещена в пеноплекс, вторая - обмотана фольгой, а третья стояла на столе без обработки. Измерение происходило 80 минут. Результат показал, что бутылка воды, которая не была установлена в утеплитель, остыла быстрее.
|
Темп/вр. |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
|
Фольга |
89 |
77 |
72 |
68 |
60 |
58 |
58 |
|
Утеплитель |
89 |
79 |
73 |
65 |
60 |
60 |
56 |
|
Без всего |
89 |
71 |
63 |
58 |
51 |
47 |
44 |
Таблица 1. Зависимость остывания воды от внешних условий.
Рис. 1. График зависимости скорости остывания воды от внешних условий.
Эксперимент №2. Измерение скорости остывания воды в зависимости от начальной температуры
Были взяты 2 стеклянные бутылки объемом 0,5 литра. Вода была налита в бутылки с температурой 89 и 60 градусов. Обе бутылки стояли на столе. Измерение происходило 30 минут. Результат оправдывает теорию о том, что горячая вода остывает быстрее более холодной, подтверждая рабочую гипотезу и является приоритетным экспериментом.
Таблица 2. График остывания воды в зависимости от ее начальной температуры.
|
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
|
|
1 |
60 |
48 |
38 |
33 |
30 |
26 |
24 |
|
2 |
92 |
69 |
60 |
55 |
49 |
38 |
32 |
Рис. 2. График остывания воды в зависимости от ее начальной температуры.
Эксперимент №3. Измерение скорости остывания кофе в зависимости от воздействия примесей.
Были взяты 4 чашки кофе начальной температурой 70 градусов. В оной чашке был обычный черный кофе, во второй к кофе добавлено молоко. В третьей был кофе с сахаром, а четвертой - кофе с молоком и сахаром. Измерение происходило 60 минут. Результат показал, что примеси в таком виде жидкости почти не имеют влияния на скорость остывания жидкости, не замедляя и не ускоряя процесс.
|
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
|
|
Эспрессо |
68 |
53 |
44 |
39 |
35 |
34 |
31 |
|
Эспрессо с сахаром |
70 |
53 |
44 |
39 |
35 |
33 |
31 |
|
Кофе с молоком |
68 |
55 |
45 |
40 |
35 |
34 |
31 |
|
Кофе с молоком и сахаром |
68 |
52 |
44 |
39 |
35 |
33 |
31 |
Таблица 3. График остывания кофе в зависимости от влияния примесей.
Рис. 3. График остывания кофе в зависимости от влияния примесей.
Эксперимент №4. Измерение скорости остывания воды в зависимости от воздействия примесей.
В стеклянные бутылки объемом 0,5 литра налита вода с начальной температурой 90 градусов. В воду одной из бутылок добавлено оливковое масло. Начальная температура также 90 градусов
Измерение проводилось 25 минут с интервалом в 5 минут. Эксперимент показал, что примеси в виде масла хоть и оказывают влияние на скорость остывания жидкости, замедляя ее, этот эффект незначителен.
Таблица 4. График зависимости скорости остывания воды от влияния примесей.
|
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
|
90 |
68 |
55 |
48 |
43 |
38 |
|
90 |
68 |
59 |
53 |
46 |
42 |
Рис. 4. График зависимости скорости остывания воды от влияния примесей.
Эксперимент №5. Подтверждение эффекта Мпембы
Были взяты две пластиковые бутылки объемом 0.5 литра, в бутылки была разлита вода с начальной температурой 62 и 25 градусов. Обе бутылки лежали в морозильнике с температурой -18. Измерение проводилось 90 минут с интервалом 15 минут. Итог эксперимента гласит о том, что эффект Мпембы абсолютно правдив.
Таблица 5. График остывания и замерзания горячей и холодной воды.
|
0 |
15 |
30 |
45 |
60 |
75 |
90 |
|
62 |
42 |
30 |
16 |
5 |
Замерзла |
Замерзла |
|
25 |
19 |
12 |
10 |
7 |
3 |
Замерзла |
Рис. 5. График остывания и замерзания горячей и холодной воды.
Заключение
Вывод работы заключается в том, что рабочая гипотеза, гласившая о том, что горячая вода остывает быстрее холодной, была подтверждена рядом опытов и экспериментов, проведенных в ходе работы.
В итоге первого эксперимента был получен вывод, что бутылка воды, которая не была установлена в утеплитель, остыла быстрее.
Результат второго эксперимента оправдывает теорию о том, что горячая вода остывает быстрее более холодной, подтверждая рабочую гипотезу и 2-й эксперимент также является приоритетным.
Третий эксперимент был проведен с другим видом жидкости - с кофе.
Результат показал, что примеси в таком виде жидкости почти не имеют влияния на скорость остывания жидкости, не замедляя и не ускоряя процесс.
В четвертом эксперименте результат показал, что примеси в виде масла хоть и оказывают влияние на скорость остывания жидкости, замедляя ее, этот эффект незначителен.
В итоге третьего и четвертого экспериментов можно сделать вывод, что примеси, добавленные в жидкость, не имеют практически никакого значения при измерении скорости остывания жидкостей.
Цель работы была достигнута, рабочая гипотеза подтверждена.
Список информационных ресурсов
https://www.nature.com/articles/srep37665
http://www.o8ode.ru/article/tawa/mpemba.htm
https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Мпембы
https://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect
https://www.vesti.ru/doc.html?id=1150273
https://arxiv.org/abs/1310.6514
https://indicator.ru/news/2017/10/13/effekt-mpemby-podtverjden-sypuchaya-sreda/