"Существует ли природе эффект Мпембы?"

Исследовательская работа

МБОУ "Богашевская СОШ им. А.И. Федорова" Томского района

Существует ли в природе «Эффект Мпембы»?

Выполнил: ученик 8 класса            Цыбульский Григорий

                                                                                                          Учитель физики:

                                                                                                         Сенчик Максим Максимович

Школа физиков «Спектр»

2017 г.

Цель исследования: изучить процесс охлаждения и замерзание жидкостей.

Задачи исследования: Экспериментально подтвердить верность графика на рисунке 16 параграфа 14 учебника 8 класса (издание 2010 год.)

Определить причины влияющие на продолжительность кристаллизации и плавления.

Оборудование: «Научные Развлечения»: датчик температуры, термометр, компьютер.

Введение: Изучая главу 2 «Изменение агрегатных состояний веществ» параграф 14 учебника физики 8 класса А.В.Перышкина «График плавления и отвердевания кристаллических тел» я начал сомневаться в точности графика Он слишком ровный и идеальный,. Из этого графика видно, что наблюдение за процессом началось с момента, когда температура льда была -40 . При дальнейшем нагревании температура льда росла. В течении всего времени плавления температура льда не менялась, хотя горелка продолжала гореть. Меня очень заинтересовал этот парадокс и я решил повторить этот эксперимент. Вот этот график: рисунок.

Описание эксперимента: Я взял пластиковую бутылку объемом 0.5 л с налитой в нее водопроводной  воды и вставил через отверстие в бутылке датчик температуры. Затем заморозил воду до -5. Вынул бутылку из холодильника, датчик при  этом показывал -5поставил бутылку на стол при комнатной температуре.  Температура льда достигла  0 за 20 минут. Далее пошел процесс плавления льда. Он длился 220 минут. Чтобы продолжить эксперимент мне пришлось ее (воду) затем заморозить от 20 до -5. Этот процесс был самым длительным, 400 минут. В общей сложности эксперимент длился около 760 минут (это свыше 12 часов). График получился не такой идеальный как у А.В.Перышкина, но в общих чертах он напоминал рисунок 16 из учебника. Значит автор прав. Подобный эксперимент в силу  его продолжительности невозможно провести на уроке. Полученный нами график подтвердил верность утверждения учебника. См рис 14 учебника, см. график 1 исследование. График №1 является наглядным пособием для изучения темы «плавление и отвердевание кристаллических тел»

ГРАФИК №1

Чтобы показать достоверность нашего графика приводим таблицу изменения температуры от времени через каждые 20 минут.

Таблица №1

t (мин)	t ()	t (мин)	t ()	t (мин)	t ()	t (мин)	t ()
0	-5	220	4	440	0	660	-1
20	0	240	6	460	0	680	-1
40	0	260	10	480	0	700	-1
60	0	280	13	500	0	720	-2
80	0	300	16	520	0	740	-3
100	0	320	18	540	0	760	-6
120	0	340	19	560	0
140	1	360	20	580	0
160	2	380	18	600	0
180	2	400	10	620	0
200	2	420	4	640	0

Проведенный нами эксперимент подтвердил утверждение учебника, в частности, график плавления и отвердевания (показан на фото №1), но вместе с тем появились новые вопросы. В частности мы заметили, что продолжительность кристаллизации воды зависит от состояния воды которая поставлена на «заморозку», примесей в ней. Приводим наши выводы и эксперименты, утверждающие это, начнем издалека.

Описание эксперементов:

1.                  Цель нашего первого эксперимента состояла в том, чтобы определить, как теплоизоляция влияет на процесс охлаждения. Для этого мы взяли три внешних стакана калориметра, один покрыли слоем алюминиевой фольги, другую – теплоизолятором. Скорость остывания: Сосуд №1 – 0,37 /мин, Сосуд №2 – 0,37/мин, Сосуд №3 – 0,33/мин.

            Вывод: теплоизолятор влияет на процесс охлаждения.

2.                  Во втором эксперементе мы наблюдали остывание воды разной начальной температуры при одинаковых условиях. Для этого мы взяли три внешних стакана калориметра с водой разной температуры (61, 47 и 44) и сняли кривые охлаждения. Средняя скорость понижения температуры составила соответственно 0,58, 0,35/мин, 0,27/мин.

Вывод: быстрее всего остывает горячая вода.

3.                 В третьем эксперементе мы наблюдали остывание воды, воды с сахаром (4 куб), кофе (2 ложки) и кофе с сахаром. Целью этого эксперимента было изучить влияние добавок на процесс охлаждения. Скорость остывания составила соответственно: 0,44/мин, 0,48/мин, 0,58/мин и 0,6/мин.

Вывод: из приведенных таблиц и графика следует то, что медленнее всего остывала обычная вода.

4.                 В четвертом эксперименте мы наблюдали остывание воды и  эмульсии масла в воде. Целью этого эксперимента было продолжить изучать влияние примесей на процесс охлаждения. В итоге мы получили, что простой кипяток остывал со скоростью 0,68/мин, а с маслом – со скоростью 0,53/мин.

Вывод: масло образует пленку на толще воды, тем самым препятствуя теплообмену с окружающей средой.

5.                Мы провели еще один эксперимент, который заключается в следующем: известно утверждение, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. На первый взгляд, это утверждение противоречит здравому смыслу, ведь кажется, что горячая вода, остывая, принимает температуру холодной, то есть проходит через ее состояние. Этот феномен известен уже около 2300 лет. Первым, кто заметил, что нагретая вода остывает быстрее воды обычной температуры, был древнегреческий философ и ученый Аристотель. Следующие упоминания встречаются только в 16-17 вв. в работах Френсиса Бэкона и Рене Декарта. Но должного интереса у ученых в те времена это не вызвало так как оборудование было не таким совершенным. Нами было проведено множество экспериментов, и почти во всех это утверждение подтвердилось.

Мы использовали датчик температуры «Научные Развлечения», программу «Практикум «Научные Развлечения»».

Явление, получившее название эффекта Мпембы широко применяется на практике. Например, специалисты советуют автомобилистам заливать зимой в бачок омывателя холодную, а не горячую воду. Но что лежит в основе этого явления, долгое время оставалось неизвестным. 

Под растворенными веществами д-р Катц подразумевает бикарбонаты кальция и магния, которые содержатся в жесткой воде. Когда воду нагревают, эти вещества осаждаются, образуя накипь на стенках чайника. Вода, которая никогда не нагревалась, содержит эти примеси. По мере ее замерзания и образования кристаллов льда концентрация примесей в воде увеличивается в 50 раз. Из-за этого понижается точка замерзания воды. "И теперь вода должна еще остывать, чтобы замерзнуть", - поясняет д-р Катц. 

Существует вторая причина, препятствующая замерзанию не нагревавшейся воды. Понижение точки замерзания воды уменьшает разницу температур между твердой и жидкой фазами. "Поскольку скорость, с которой вода теряет тепло, зависит от этой разницы температур, вода, которая не подвергалась нагреванию, хуже остывает", - комментирует д-р Катц. 

Эксперимент №1 (холодная вода): Мы налили в пластиковую бутылку объемом 0,5 л воду из под крана объемом 250 мл, установили через прокол боковой стенки датчик температуры и всё это поместили в морозильную камеру холодильника, подключив датчик к компьютеру. Измерение проводилось в течение 4-5 часов. Кол-во измерений температуры составило около 12000. Мы сделали выборку изменения температур через каждые 5 минут. Результаты измерений приведены в таблице и графике №2.

Таблица №2

t (мин)	t ()	t (мин)	t ()	t (мин)	t ()	t (мин)	t ()
0	25	55	0	110	0	165	-4
5	22	60	0	115	0	170	-4
10	18	65	0	120	0	175	-4
15	15	70	0	125	0	180	-4
20	12	75	0	130	0	185	-2
25	9	80	0	135	0	190	-3
30	6	85	0	140	0	195	-4
35	5	90	0	145	-1	200	-4
40	2	95	0	150	-1
45	1	100	0	155	-2
50	1	105	0	160	-3

ГРАФИК №2

Вывод: холодная вода достигла 0 на 55 минуте, в этот момент началась кристаллизация воды. На 140 минуте кристаллизация закончилась. Температура, образовавшегося льда стала уходить в область отрицательных температур. Процесс кристаллизации длился 85 минут.

Эксперимент №2 (горячая вода): соблюдая условия эксперимента №1, нальем горячей воды объемом 250 мл при температуре 80.

Кол-во измерений температуры также составило около 12000.

Результаты приведены в таблице и графике №3.

Таблица №3

t (мин)	t ()	t (мин)	t ()	t (мин)	t ()	t (мин)	t ()
0	80	55	5	110	0	165	-5
5	63	60	3	115	0	170	-6
10	52	65	2	120	0	175	-6
15	43	70	1	125	0	180	-5
20	35	75	0	130	0	185	-5
25	29	80	0	135	0	190	-5
30	23	85	0	140	0	195	-5
35	18	90	0	145	-1	200	-4
40	14	95	0	150	-2
45	10	100	0	155	-3
50	7	105	0	160	-4

ГРАФИК №3

Вывод: горячая вода достигла 0 на 75 минуте, в этот момент началась кристаллизация воды. На 140 минуте кристаллизация закончилась. Температура образовавшегося льда стала уходить в область отрицательных температур. Процесс кристаллизации длился 65 минут. Получается, что горячая вода кристаллизуется на 10 минут быстрее, чем холодная. Значит эти два эксперимента подтверждают мысль о том, что горячая вода кристаллизуется быстрее.

Эксперимент №3 (холодная вода): Проведем еще эксперименты с холодной и горячей водой: может эксперимент №1 и №2 это случайность?

Повторим всё , что делали ранее, сначала с холодной водой, а потом с горячей.

Результаты измерений приведены в таблице и графике №4.

Таблица №4

t (мин)	t ()	t (мин)	t ()	t (мин)	t ()	t (мин)	t ()
5	18	60	0	115	-7	170	-11
10	14	65	0	120	-9	175	-10
0	24	55	0	110	-6	165	-12
15	10	70	0	125	-8	180	-9
20	6	75	0	130	-7	185	-9
25	4	80	0	135	-7	190	-9
30	1	85	0	140	-8	195	-10
35	0	90	-1	145	-9	200	-11
40	0	95	-2	150	-10
45	0	100	-3	155	-11
50	0	105	-4	160	-12

ГРАФИК №4

Вывод: холодная вода достигла 0 на 35 минуте, в этот момент началась кристаллизация воды. На 85 минуте кристаллизация закончилась. Температура, образовавшегося льда стала уходить в область отрицательных температур. Процесс кристаллизации длился 50 минут.

Эксперимент №4 (горячая вода): Проведем те же самые измерения с горячей водой при одинаковых условиях.

Результаты приведены в таблице и графике №5.

Таблица №5

t (мин)	t ()	t (мин)	t ()	t (мин)	t ()	t (мин)	t ()
0	65	55	0	110	-3	165	-2
5	54	60	0	115	-5	170	-4
10	43	65	0	120	-8	175	-5
15	40	70	0	125	-10	180	-7
20	32	75	0	130	-9	185	-7
25	25	80	0	135	-8	190	-8
30	19	85	0	140	-7	195	-9
35	14	90	0	145	-6	200	-10
40	9	95	0	150	-3
45	5	100	0	155	-2
50	1	105	-1	160	-1

ГРАФИК №5

Вывод: горячая вода достигла 0 на 55 минуте, в этот момент началась кристаллизация воды. На 100 минуте кристаллизация закончилась. Температура образовавшегося льда стала уходить в область отрицательных температур. Процесс кристаллизации длился 45 минут. Получается, что горячая вода кристаллизуется на 5 минут быстрее, чем холодная. Значит, эти два эксперимента подтверждают мысль о том, что горячая вода кристаллизуется быстрее.

Эксперимент №5 (горячая вода с щепоткой песка): Повторим тот же эксперимент с горячей водой, но с добавлением песка. Эксперимент производится с целью выяснения причин ускоренной кристаллизации горячей воды.

Результаты приведены в таблице и графике №6.

Таблица №6

t (мин)	t ()	t (мин)	t ()	t (мин)	t ()	t (мин)	t ()
0	71	55	1	110	0	165	-5
5	59	60	0	115	0	170	-5
10	48	65	0	120	0	175	-6
15	39	70	0	125	-1	180	-7
20	32	75	0	130	-2	185	-6
25	26	80	0	135	-3	190	-5
30	21	85	0	140	-5	195	-4
35	16	90	0	145	-6	200	-3
40	12	95	0	150	-6
45	8	100	0	155	-6
50	5	105	0	160	-5

ГРАФИК №6

Вывод: горячая вода с песком достигла 0 на 60 минуте, в этот момент началась кристаллизация воды. На 120 минуте кристаллизация закончилась. Температура образовавшегося льда стала уходить в область отрицательных температур. Процесс кристаллизации длился 60 минут. Получается, что горячая вода с песком кристаллизуется на 5 минут дольше, чем горячая вода без примесей.

1.                 Мы подтвердили верность утверждений учебника в части плавления и отвердевания.

2.                 Построили реальный график плавления и отвердевания льда.

3.                 Экспериментально установили зависимость продолжительности кристаллизации воды от первоначальной температуры воды и примесей.

4.                Мы доказали, что «Эффект Мпембы» существует.

Список литературы:

1.                А.В.Перышкин учебник по физике 8 класса.

2.                Научно-попурярные журналы «Квант» и «Наука и жизнь».