Zanimive.Povezave

Teorija.Skupine3

MPEMBA EFEKT

Če se pri tem zgodi, da prvotno toplejša voda zmrzne pred hladnejšo, smo opazili Mpemba efekt.

Vzamemo dve enaki posodi. Eno napolnimo z vodo pri višji temperaturi, drugo pa z enako količino vode pri nižji temperaturi. Posodi nato na enak način ohlajamo. Če se pri tem zgodi, da prvotno toplejša voda zmrzne pred hladnejšo, smo opazili Mpemba efekt. Do efekta pride le pod določenimi pogoji, vendar pa še danes ne vemo, kateri ekspirimentalni pogoji so pri tem odločilni. Med drugim so pomembni: oblika in velikost posode, način zamrzovanja, ter plini, ki so raztopljeni v vodi. Mehanizmi, ki bi lahko pojasnili Mpemba efekt, so številni. To so obenem glavni mehanizmi, po katerih se voda ohlaja.

Kako poteka ohlajanje vode:

Toplota prehaja s toplejšega telesa na hladnejše telo. Prenos poteka na 3 načine:

S PREVAJANJEM

Zaradi razlik v temperaturi med stenama posode s presekom S in debelino d v stacionarnih razmerah teče skozi steno konstanten tok P: P= ΛS(T1-T2)/d , pri čemer je Λ koeficient toplotne prevodnosti, ki je odvisen od snovi, iz katere je posoda, T1 in T2 pa sta temperaturi na notranji oz. zunanji strani posode.

S KONVEKCIJO:

Do konvekcije pride zaradi sprememb gostote tekočine in gravitacije. Na gladini se nahaja toplejša voda, ki se ohladi, poveča se ji gostota in zaradi gravitacije potuje proti dnu posode. To vodo potem nadomesti tekočina iz nižjih leg in proces se ponovi. Na ta način nastanejo konvekcijski tokovi. Toplotni tok je zaradi konvekcije potem sorazmeren z razliko med temperaturo vode in temperaturo okolice ter s površino kapljevine.

S SEVANJEM:

Tu velja Stefanov zakon P=eS σT4 , pri čemer je e emisivnost vode, S površina vode, T temperatura vode in σ Stefanova konstanta. Voda se na ta način ohlaja, dokler ne doseže temperature okolice.

Pri našem poskusu je za ohlajanje v prvem približku najpomembnejše prevajanje toplote zaradi razlik v temperaturi med stenama posode. Ohlajanje vode lahko opišemo z enačbo dE = P dt oziroma -mcdT= Λ S (T - Tz )/d dt, katere rešitev je T=Tz + (T0 - Tz ) e-t / &tau , kjer so Tz zunanja temperatura, T0 začetna temperatura vode, t je čas, &tau = mcd / s&Lambda pa časovna konstanta, ki je odvisna od mase m, specifične toplote vode c, debeline stene posode d, toplotne prevodnosti &Lambda in površine S.

Mehanizmi, ki bi lahko pojasnili Mpemba efekt:

IZHLAPEVANJE:

Voda z višjo temperaturo lahko izgubi del mase zaradi izhlapevanja, s tem se ji zmanjša časovna konstanta Va・brskalnik morda ne podpira prikaza te slike. in lahko hitreje zmrzne.

PLINI, KI SO RAZTOPLJENI V VODI:

V toplejši vodi je manj raztopljenih plinov. Večja koncentracija plinov v hladni vodi pa naj bi povzročila večjo podhladitev vode in tako hladna voda zmrzne pri nižji temperaturi kot topla voda.

KONVEKCIJA:

Pri toplejši vodi so konvekcijski tokovi bolj izraziti, zaradi česar se le-ta hitreje ohlaja.

PREVAJANJE:

Zmrzal na steni posode deluje kot toplotni izolator (poveča se Λ) . Topla voda naj bi delno to zmrzal topila in tako vzpostavila boljši stik s steno posode ter hitreje izgublja toploto.

PODHLADITEV VODE:

Toplejša voda naj bi se podhladila manj kot hladnejša, kar je povezano tudi s plini, ki so raztopljeni v vodi.