Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 13 dotazů obsahujících »zmrzne«
5) Mpemba effect (Mpembův jev)
15. 08. 2007
Dotaz: Dobrý den Můj dotaz je ohledně mrznutí vody. Je pravda, že voda o vyšší teplotě
(např.: 8°C) zmrzne rychleji, než voda o teplotě menší (např.: 5°C)? (Petr Rudolf)
Odpověď: Doporučuji, abyste si to sám vyzkoušel. Budeme rádi, když nám pak podáte zprávy o svém experimentování, ať už to dopadne jakkoliv.
Zmíněný jev je v odborné literatuře znám pod názvem Mpemba effect (Mpembův jev) podle spoluautora článku, díky kterému bylo toto téma v minulém století "znovuobjeveno".
Mrznutím vody jsem se zabýval ve své
diplomové práci, z níž zkráceně ocituji závěr:
Teplejší voda skutečně může za stejných výchozích podmínek (až na rozdílné počáteční teploty) zmrznout v celém svém objemu dříve než voda původně studenější. Není to však pravidlem a zdá se to být spíše méně obvyklé. Velká popularita Mpembova jevu (otázka „Která voda zmrzne nejdřív – studená, nebo teplá?” zazněla dokonce v pořadu Nikdo není dokonalý) při jeho ve skutečnosti poměrně nesnadném pozorování (jednak proto, že často vůbec nenastane, jednak proto, že pokud nastane, nemusí být příliš výrazný) spočívá patrně v jeho zdánlivém rozporu s fyzikálními principy. Při bližším pohledu se však tento paradox dá objasnit způsoby přístupnými i středoškolským studentům.
Nejvýrazněji se Mpembův jev projeví v prostředí pokrytém ledem a sněhem (venku na mrazu nebo v poněkud zanedbané mrazničce). Nádoba s horkou vodou se může do takového podkladu protavit, a získat tak výrazně lepší tepelný kontakt s okolím. V praxi pak může rozdíl časů od počátku chlazení až do úplného ztuhnutí pro horkou a pro studenou vodu činit desítky procent.
Původně teplejší voda může zmrznout dříve než voda původně studenější také v případě, kdy se dostatečná část původního objemu díky vyšší teplotě odpaří. Tuhnutí pak probíhá v menším množství vody. Pečlivá hospodyně by si tedy mohla za jistých okolností všimnout, že rychleji získá kostky ledu v případě, kdy vodu před umístěním do mrazicího boxu ohřeje v rychlovarné konvici nebo mikrovlnné troubě. Doporučit jí takový postup ale můžeme jen sotva, protože je skoro určitě výhodnější dát do nádoby vodu studenou a rovnou snížit její množství o to, co by se bývalo vypařilo z horké vody.
Další okolností, která nesporně Mpembův jev podporuje, je přechlazení vody (to je jev, kdy voda zůstává při běžném tlaku v kapalné fázi i při teplotách pod nulou) – to ale pouze v případě, že se původně teplejší voda přechladí méně (tj. na vyšší teplotu) než voda původně studenější (jde o nutnou podmínku). Mpembův jev nastane tím spíše, čím více se teplota přechlazení původně teplejší vody blíží teplotě tuhnutí, případně čím více se teplota přechlazení původně studenější vody blíží teplotě v mrazničce. Přechlazování vody je ovšem do značné míry jev náhodný, takže spoléhat se na něj v jednotlivých pokusech nemůžeme.
Výše uvedené závěry jsem teoreticky i experimentálně ověřil. V citované práci si můžete přečíst o dalších okolnostech, které by mohly mrznutí vody ovlivňovat, najdete tam také odkazy na související články.
Dotaz: Jak velký tlak vyvíjí voda, když zmrzne v těsném prostoru? (Václav Kadlec)
Odpověď: Tento tlak je obrovský. Jeho velikost můžeme odhadnout ze závislosti
teploty tuhnutí vody na tlaku. Při atmosférickém tlaku je tato teplota 0 °C, při tlaku stokrát větším je asi -1 °C, při tlaku dvou tisíc atmosfér je to asi -20 °C. To znamená, že při tlaku 2000 atmosfér se začne led tvořit až při teplotě nižší než 20 °C pod nulou, při vyšších teplotách zůstává voda v kapalném skupenství.
Pokud vodu budeme chladit, ale nedovolíme jí zvýšit při krystalizaci v led
svůj objem, bude se zvyšovat její tlak až k takové hodnotě, kdy při dané
teplotě může voda stále ještě být v kapalném skupenství - pro teplotu
-1 °C je to přibližně 100 atmosfér, pro -20 °C je tento tlak
okolo 2000 atmosfér.
Dotaz: Taje led v místnosti, kde je taplota 0 stupňů celsia? (denda)
Odpověď: Při teplotě 0 °C jsou led a voda v rovnováze. To znamená, že množství
ledu v místnosti je pořád stejné. Pokud bychom teplotu nepatrně zvýšili, led by začal tát - a pokud teplotu budeme nad nulou nějakou dobu udržovat, nakonec všechen led roztaje. Pokud naopak teplotu nepatrně snížíme pod nulu, kapalná voda začne
mrznout, po nějaké době zmrzne všechna a v místnotsi bude pouze led.
Dotaz: Dobrý den, díky za pěkné stránky. Zde je můj dotaz: Na kolejích jsem měl sorpční
lednici, která chladila až mrazila. Teplotu jsme neměřili, ale někdy jsme
vyndali veci zmrzlé a jindy ne. Několikrát se mi stalo, že jsem vodu (vodovodní)
v PET lahvi vytáhl z lednice a voda byla v tekutém stavu. V okamžiku, kdy jsem
PET lahev otevřel voda během 1-2 sekund zmrzla. Krásně prokrystalizovala v celém
objemu. Podobným způsobem, jako když lupnutím aktivujete takové ty ohřívací
polštářky. Podmínky: lednice - sorpční, zavřená ve skříni PET laveh - takový ten
měkčí typ, objem 2 litry, ležíci v lednici na výparniku, úplně plná nebo téměř
plná. Zajímalo by mě, při jakých podmínkách to nastává. Kam se ztratí energie
potřebná ke změně skupenství? Jak mohu tento stav reprodukovat? Jestli si dobře
pamatuji tak energie potřebná ke změně skupenství je zhruba stokrát vyšší než ke
změně teploty kapaliny o 1C. Takže vodu podchladím, jakoby na -100C a pak se mi
přemění na led o teplotě 0C. (Jaroslav Bernkopf)
Odpověď: Voda, kterou jste vyndal z chladničky, se podle všeho nacházela v tzv. metastabilním stavu, kdy je její teplota sice už pod nulou, ale stále ještě zůstává celá v kapalném skupenství. Tento stav je tím méně pravděpodobný, čím většího přechlazení dosáhnete, případně čím více vody v nádobě máte. S dvoulitrovou PET láhví lze znatelného přechlazení dosáhnout zřídka - a když, tak pouze o několik málo stupňů Celsia. Menší množství vody (řekněme 1 ml) lze ovšem snadno přechladit i na teplotu -10 °C a méně. Drobné kapičky se dají přechladit až o desítky stupňů Celsia!
Přechlazená kapalina je nestabilní. Přítomnost rušivých vlivů (nečistoty, otřesy) a další chlazení zvyšují společně šanci, že kapalina samovolně přejde do stabilnějšího stavu - zmrzne.
Mrznutí začne tím, že se někde v objemu kapaliny (typicky na stěnách nebo částečkách nečistot) objeví první krystalek ledu. Ten velmi rychle roste v jakousi dendritickou strukturu prolínající se celou kapalinou, což je ono vámi pozorované rychlé prorůstání krystalků. Tím se ovšem uvolňuje latentní krystalizační teplo ohřívající zbytek přechlazené kapaliny. Teplota přechlazené vody tak během této "bouřlivé" krystalizace po zlomku sekundy až několika málo sekundách vzroste na teplotu tuhnutí (0 °C). Sem se tedy "ztratí" ona pohřešovaná energie. Zbytek kapaliny tuhne již běžným způsobem.
V přiloženém grafu je zachycen průběh teploty v reálném experimentu, který probíhal s 1 ml destilované vody, jejíž počáteční teplota byla přibližně 1 °C. Z grafu lze vyčíst, že se voda v tomto experimentu přechladila o více než 10 °C, načež během velice krátkého okamžiku prorostla zmíněnou dendritickou ledovou strukturou za součásného vzrůstu teploty na 0 °C. "Domrzání" potom trvalo ještě asi minutu a dvacet sekund. Teplota okolí byla přibližně -17 °C.
Dotaz: je pravda,¨že umístím-li do mrazáku dvě pet lahve, jednu se studenou a jednu s
teplou vodou, zmrzne dříve voda původně teplejší?Jak by se to dalo fyzikálně
vysvětlit? Děkuji (jana)
Odpověď: Máte-li mrazák, zkuste si to. V naprosté většině případů zmrzne dříve voda studená, ale může nastat i situace, kdy je tomu naopak - říkáme tomu Mpembův jev.
