Властивості води не перестають дивувати вчених. Вода - досить проста речовина з хімічної точки зору, проте при цьому вона має ряд незвичайних властивостей, які не перестають дивувати вчених. Нижче запропоновано кілька фактів, про які мало хто знає.

1. Яка вода замерзає швидше – холодна чи гаряча?

Візьмемо дві ємності з водою: в одну наллємо гарячу, а в іншу - холодну воду, і помістимо в морозильну камеру. Гаряча вода замерзне швидше за холодну, хоча за логікою речей, першою повинна була перетворитися на лід холодна вода: адже гарячій воді треба спочатку охолонути до температури холодної, а потім уже перетворюватися на лід, тоді як холодній воді остигати не треба. Чому так відбувається?

У 1963 році один танзанський студент на ім'я Ерасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba), заморожуючи приготовлену суміш для морозива, помітив, що гаряча суміш застигає в морозильній камері швидше, ніж холодна. Коли юнак поділився своїм відкриттям із учителем фізики, той лише посміявся з нього. На щастя, учень виявився наполегливим і переконав вчителя провести експеримент, який і підтвердив його відкриття: за певних умов гаряча водадійсно замерзає швидше за холодну.

Тепер цей феномен гарячої води, що замерзає швидше за холодну, зветься «ефект Мпемба». Щоправда, за довго до нього ця унікальна властивість води була відзначена Аристотелем, Френсісом Беконом та Рене Декартом.

Вчені так і не розуміють природу цього явища, пояснюючи його або різницею в переохолодженні, випаровуванні, утворенні льоду, конвекції, або впливом розріджених газів на гарячу і холодну воду.

2. Вона здатна замерзати миттєво

Всі знають, що вода завжди перетворюється на кригу при охолодженні до 0 °C … за винятком деяких випадків! Таким випадком, наприклад, є надохолодження, яке є властивістю дуже чистої води залишатися рідкою, навіть будучи охолодженою до температури нижче точки замерзання. Це стає можливим завдяки тому, що довкілля не містить центрів або ядер кристалізації, які могли б спровокувати утворення кристалів льоду. І тому вода залишається в рідкій формі, навіть охолодженою до температури нижче нуля градусів за Цельсієм.

Процес кристалізації може бути спровокований, наприклад, бульбашками газу, домішками (забрудненнями), нерівною поверхнею ємності. Без них вода залишатиметься у рідкому стані. Коли процес кристалізації запускається, можна спостерігати, як надохолоджена вода миттєво перетворюється на лід.

Зауважте, що «надгріта» вода також залишається рідкою, навіть нагрітою до температури вище точки закипання.

3. 19 станів води

Не замислюючись, назвіть, скільки різних станів має вода? Якщо ви відповіли три: тверда, рідка, газоподібна, то ви помилилися. Вчені виділяють як мінімум 5 різних станів води в рідкому вигляді та 14 станів у замерзлому вигляді.

Пам'ятаєте розмову про надохолоджену воду? Так ось, що б ви не робили, при температурі -38 ° C навіть найчистіша охолоджена вода раптово перетвориться на лід. Що ж станеться за подальшого зниження температури? При -120 °C з водою починає відбуватися щось дивне: вона стає надв'язкою або тягучою, як патока, а при температурі нижче -135 °C вона перетворюється на "скляну" або "склоподібну" воду - тверда речовина, в якій відсутня кристалічна Структура.

4. Вода дивує фізиків

На молекулярному рівні вода вражає ще більше. У 1995 році експеримент із розсіяння нейтронів, що проводився вченими, дав несподіваний результат: фізики виявили, що нейтрони, спрямовані на молекули води, «бачать» на 25% менше протонів водню, ніж очікувалося.

Виявилося, що на швидкості однієї аттосекунди (10 -18 секунд) має місце незвичайний квантовий ефект і хімічна формулаводи замість H2O, стає H1.5O!

5. Пам'ять води

Альтернативна офіційна медицина гомеопатія стверджує, що розведений розчин лікарського препаратуможе надавати лікувальний ефект на організм, навіть якщо коефіцієнт розведення настільки великий, що в розчині вже не залишилося нічого, крім молекул води. Прихильники гомеопатії пояснюють цей парадокс концепцією під назвою «пам'ять води», згідно з якою вода на молекулярному рівні має «пам'ять» про речовину, яка колись у ній розчинена і зберігає властивості розчину початкової концентрації після того, як у ньому не залишається жодної молекули інгредієнта.

Міжнародна група вчених на чолі з професором Медлін Еніс (Madeleine Ennis) з Королівського університету в Белфасті (Queen's University of Belfast), яка критикувала принципи гомеопатії, в 2002 році провела експеримент, щоб раз і назавжди спростувати цю концепцію. Результат виявився зворотним. Після цього вчені заявили, що їм вдалося довести реальність ефекту «пам'яті води». Проте, досліди, проведені під наглядом незалежних експертів, результатів не принесли. Суперечки про існування феномена «пам'яті води» продовжуються.

Вода має безліч інших незвичайних властивостей, про які ми не розповіли в цій статті. Наприклад, щільність води змінюється в залежності від температури (щільність льоду менша за щільність води)

вода має досить велику величину поверхневого натягу

в рідкому стані вода являє собою складну мережу з водних кластерів, що динамічно змінюється, і саме поведінка кластерів впливає на структуру води і т.д.

Про ці та багато інших несподіваних особливостей води можна прочитати у статті «Аномальні властивості води», автором якої є Мартін Чаплін, професор Лондонського університету.

Слабкий натиск у крані може вивести із себе навіть самого врівноваженого домовласника. Адже саме від напору залежить і тривалість наповнення чайника чи кавоварки, і працездатність пральної чи посудомийної машини.

Крім того, при поганому натиску практично неможливо користуватися ні туалетом, ні душем чи ванною. Словом, якщо в крані немає натиску, то в будинку не буде комфорту проживання.

Розбираємось у причинах слабкого натиску води у крані

Що послаблює тиск води в крані?

Чому слабкий напір води в крані може зіпсувати навіть найщасливіше життя навіть у найдосконалішому будинку чи квартирі, ми з вами вже обговорили. Однак стогнання горю не допоможеш. Тим більше, що дана проблема не така страшна, як здається. Варто лише зрозуміти, що послабило натиск, і ви отримаєте практично готовий рецепт усунення цієї неприємності.

При цьому список ТОП-3 причин падіння напору гарячої чи холодної води виглядає так:

Засмічення крана . В цьому випадку інтенсивність струменя води послаблює пробка з іржі та накипу, що забила аератор, що фільтрує вкладиш (сіточку) або букс. Причому від цієї проблеми страждає лише один кран у будинку. Тобто, якщо у вас погано тече вода з крана, наприклад, на кухні, а у ванній проблеми немає, то вам доведеться розібрати і почистити проблемну точку споживання.
. В цьому випадку винні ті ж частинки мулу, іржі або накипу. Тільки зараз вони перекривають не аератор крана чи сіточку змішувача, а вбудований у водопровід фільтр. В самому гіршому випадкутакі відкладення можуть перекрити пропускний діаметр сполучного фітинга або трубопровідної арматури.

. У цьому випадку причиною ослаблення може бути або збій на рівні насосної станції, або розгерметизація трубопроводу. Збій на станції можуть виправити лише ремонтні бригади комунальних служб. Індикатор цієї поломки – відсутність води у всьому мікрорайоні. Втрата герметичності діагностується візуально - по струменю води, що б'є з тіла водопровідної арматури. Виправити цю поломку може будь-який слюсар із обслуговуючої компанії.
Крім того, говорячи про причини ослаблення напору, необхідно згадати і можливі прорахунки під час облаштування конкретної лінії подачі води . Неправильний діаметр (більше, ніж у попередньої гілки), надмірна довжина (що не відповідає характеристикам напірного обладнання) – ось найголовніші причини падіння напору у новій мережі подачі води.

Чи не хочете з ними стикатися - замовляйте проект водопостачання у професіоналів.

А тепер, коли ви вже знаєте причини падіння напору в крані, настав час розібратися зі способами усунення цього дефекту водопостачання.

Що робити, якщо погано тече холодна і гаряча вода з крана?

Тут все залежить від причини падіння натиску.

Наприклад, якщо у вас засмічився кран, вам доведеться зробити таке:

Знімаємо аератор змішувача для очищення

Взяти розвідний ключ і скрутити з носика крана - Спінюючий струмінь води насадку. Ця деталь має дуже дрібні форсунки. Тому аератори забиваються з періодичністю раз на півроку. А якщо йдеться про змішувач крана з гарячою/холодною водою, то періодичність чищення форсунок скорочується до 2-3 місяців. Демонтований аератор промивають під струменем води.
Якщо аератор чистий, а вода тече слабо - вам доведеться поринути в конструкцію крана ще глибше . Адже в цьому випадку потрібно підібратися до запірного вузла - букс. Для цього потрібно демонтувати вентиль (рукояти крана) і викрутити стопорну шайбу, що утримує запірний елемент у сідлі корпусу. Далі ви виймаєте запірний вузол з корпусу і зчищаєте з його поверхні наліт мулу або накипу. У фіналі вам доведеться зібрати кран, діючи за зворотною схемою.

Перед демонтажем запірного вузла крана перекрийте подачу води, закривши найближчий до точки споживання водопровідний вентиль. Інакше ви заллєте всю квартиру.

Якщо джерелом проблеми є не кран, а «розпилювач» у душовій кабіні або ванною, вам доведеться діяти трохи інакше. Спочатку перекрийте подачу до розпилювача. Потім демонтуйте його зі стійки чи металевого шлангу, використовуючи розвідний ключ. Зануріть зняту частину розпилювача в каструлю з оцтом. Підігрійте це середовище на плитці. Змийте водою накип. Поверніть насадку на місце.

Якщо вас дратує запах оцту – спробуйте 10% розчин лимонної кислоти. Для го приготування достатньо розчинити 100 г сухого порошку кислоти - він продається в будь-якому кондитерському відділі - в літрі води.

Якщо у вас немає бажання возитися з краном – викличте слюсаря з компанії, що управляє. Він вирішить цю проблему просто на ваших очах.

Що робити, якщо поганий натиск води в крані ви, сподіваємося, вже зрозуміли.

Тепер давайте переходити до труб:

Насамперед перекрийте воду, повернувши центральний вентиль біля лічильника.
Далі демонтуйте заглушку грубого фільтра. Вийміть дротяну касету та промийте її в якійсь ємності. Після чого поверніть елемент, що фільтрує, на місце, оновіть ущільнювач і закрутіть заглушку.
Після ревізії грубого фільтра переходьте до перевірки системи тонкого очищення. Спочатку відключіть її від водопроводу і перевірте тиск у вільній трубі, відкривши центральний вентиль. Якщо все в порядку - поміняйте вкладиш, попутно промивши склянку фільтра від частинок бруду. У фіналі все, ясна річ, монтується на колишнє місце.
Якщо фільтри очищені, а вода все одно не йде з крана з належною силою, причиною падіння напору є затор у самих трубах. Локалізація цієї проблеми та її усунення – це надзвичайно трудомістке завдання. Тому після безрезультативного чищення фільтрів вам доведеться зателефонувати до компанії, що управляє, і повідомити про проблему з прохідністю труб у водопроводі.

Якщо ви не змінювали розведення системи водопостачання у квартирі – за чищення труб заплатить керуюча компанія. Адже саме вона має стежити за працездатністю «рідних» інженерних комунікацій.

"Найпростіше стійке з'єднання водню з киснем", - таке визначення води дає Коротка хімічна енциклопедія. Але, якщо розібратися, не така вже й проста ця рідина. Вона має багато незвичайних, дивовижних і особливих властивостей. Про унікальні здібності води нам розповів український аквадослідник Станіслав Супруненко.

Висока теплоємність

Вода нагрівається в п'ять разів повільніше за пісок і в десять разів повільніше залізо. Щоб нагріти на один градус літр води, тепла знадобиться у 3300 разів більше, ніж для нагрівання літра повітря. Поглинаючи величезну кількість теплоти, сама субстанція значно не нагрівається. Зате, коли вона остигає, віддає стільки ж тепла, скільки забрала під час нагрівання. Така здатність накопичувати та віддавати тепло дозволяє згладжувати різкі температурні коливання на поверхні землі. Але це ще не все! Теплоємність води знижується при підвищенні температури від 0 до 370С, тобто в цих рамках нагріти її легко, знадобиться не так багато тепла та часу. Але після температурного кордону в 370С її теплоємність зростає, а отже, для нагрівання доведеться докласти більше зусиль. Встановлено: мінімальну теплоємність вода має за нормальної температури 36, 790С, але це — нормальна температура людського тіла! Тож саме ця якість води забезпечує стабільність температури людського тіла.

Високий поверхневий натяг води

Поверхневий натяг - це сила тяжіння, зчеплення між молекулами. Візуально його можна спостерігати в чашці, наповненій чаєм. Якщо повільно доливати її воду, вона виливатися через край не відразу. Придивіться: над поверхнею рідини можна побачити найтоншу плівку - вона й не дає рідини вилитися. Вона набухає в міру доливання і тільки при останній краплі це все-таки трапиться.
Усі рідини мають поверхневий натяг, але в усіх воно різне. У води поверхневий натяг — один із найвищих. Більше — тільки у ртуті, ось чому при розливі вона одразу перетворюється на кульки: молекули речовини міцно «прив'язані» одна до одної. А ось у спирту, ефіру та оцтової кислоти поверхневий натяг значно нижчий. Їхні молекули менше притягуються одна до одної і, відповідно, саме тому швидше випаровуються та поширюють свій запах.

Висока прихована теплота випаровування

Фото Shutterstock

Щоб випарити воду, потрібно в п'ять з половиною разів більше тепла, ніж для її скип'ятіння. Якби не ця властивість води — повільно випаровуватися, — багато озер і річок просто пересихали б у спекотне літо.
У глобальних масштабах щохвилини з гідросфери випаровується мільйон тонн води. В результаті в атмосферу надходить колосальна кількість теплоти, еквівалентна роботі 40 тисяч електростанцій потужністю 1 млрд. кВт кожна.

Розширення

При зниженні температури усі речовини стискаються. Все, але не вода. Поки температура не опуститься нижче за 40С, вода поводиться зовсім звичайно — трохи ущільнюючись, зменшує свій обсяг. Але після 3, 980С вона свою поведінку, точніше - починає розширюватися, незважаючи на зниження температури! Процес йде плавно до температури 00С, доки вода не замерзає. Щойно утворюється крига, обсяг вже твердої води різко зростає на 10%.

Ефект Мпемби(Парадокс Мпемби) - парадокс, який свідчить, що гаряча вода за певних умов замерзає швидше, ніж холодна, хоча у своїй вона має пройти температуру холодної води у процесі замерзання. Даний парадокс є експериментальним фактом, що суперечить звичайним уявленням, згідно з якими при одних і тих же умовах нагрітішому тілу для охолодження до деякої температури потрібно більше часу, ніж менш нагрітому тілу для охолодження до тієї ж температури.

Цей феномен помічали свого часу Арістотель, Френсіс Бекон і Рене Декарт, проте лише 1963 року танзанійський школяр Ерасто Мпемба встановив, що гаряча суміш морозива замерзає швидше, ніж холодна.

Будучи учнем Магамбінської середньої школиу Танзанії Ерасто Мпемба робив практичну роботу з кухарської справи. Йому потрібно було виготовити саморобне морозиво – закип'ятити молоко, розчинити в ньому цукор, охолодити його до кімнатної температури, а потім поставити в холодильник для замерзання. Очевидно, Мпемба був особливо старанним учнем і зволікав з виконанням першої частини завдання. Побоюючись, що не встигне до кінця уроку, він поставив у холодильник гаряче молоко. На його подив, воно замерзло навіть раніше, ніж молоко його товаришів, приготовлене за заданою технологією.

Після цього Мпемба експериментував не лише з молоком, а й із звичайною водою. У всякому разі, вже будучи учнем Мквавської середньої школи він поставив питання професору Деннісу Осборну з університетського коледжу в Дар-Ес-Саламі (запрошеному директором школи прочитати учням лекцію з фізики) саме з приводу води: "Якщо взяти два однакові контейнери з рівними обсягами води так, що в одному з них вода має температуру 35 ° С, а в іншому - 100 ° С, і поставити їх в морозилку, то в другому вода замерзне швидше. Чому? Осборн зацікавився цим питанням і невдовзі 1969 року разом із Мпембой опублікували результати своїх експериментів у журналі " Physics Education " . З того часу виявлений ними ефект називається ефектом Мпемби.

Досі ніхто достеменно не знає, як пояснити цей дивний ефект. Вчені не мають єдиної версії, хоча існує багато. Вся справа в різниці властивостей гарячої та холодної води, але поки не зрозуміло, які саме властивості відіграють роль у цьому випадку: різниця у переохолодженні, випаровуванні, формуванні льоду, конвекції чи дії розріджених газів на воду за різних температур.

Парадоксальність ефекту Мпемби в тому, що час, протягом якого тіло остигає до температури довкілля, має бути пропорційно різниці температур цього тіла та навколишнього середовища. Цей закон було встановлено ще Ньютоном і з того часу багато разів підтверджувався практично. У цьому ж ефект вода з температурою 100°С остигає до температури 0°С швидше, ніж така ж кількість води з температурою 35°С.

Тим не менш, це ще не передбачає парадокс, оскільки ефект Мпемби можна знайти пояснення і в рамках відомої фізики. Ось кілька пояснень ефекту Мпемби:

Випаровування

Гаряча вода швидше випаровується з контейнера, зменшуючи цим свій об'єм, а менший об'єм води з тією ж температурою замерзає швидше. Нагріта до 100°С вода втрачає 16% своєї маси при охолодженні до 0°С.

Ефект випаровування – подвійний ефект. По-перше, зменшується маса води, яка потрібна для охолодження. І по-друге, знижується температура через те, що зменшується теплота випаровування переходу з фази води у фазу пари.

Різниця температур

Через те, що різниця температур між гарячою водоюі холодним повітрям більше - отже теплообмін у разі йде інтенсивніше і гаряча вода швидше охолоджується.

Переохолодження

Коли вода охолоджується нижче 0°С вона не завжди замерзає. За деяких умов вона може перетерпіти переохолодження, продовжуючи залишатися рідкою при температурах нижче температури точки замерзання. У деяких випадках вода може залишатися рідкою навіть за температури –20°С.

Причина цього ефекту в тому, що для того, щоб почали формуватися перші кристали льоду, потрібні центри кристалоутворення. Якщо їх немає в рідкій воді, тоді переохолодження продовжуватиметься доти, доки температура не знизиться настільки, що кристали почнуть формуватися спонтанно. Коли вони почнуть формуватися в переохолодженій рідині, вони почнуть рости швидше, формуючи льодову шугу, яка замерзаючи, утворюватиме лід.

Гаряча вода найбільше схильна до переохолодження оскільки її нагрівання усуває розчинені гази і бульбашки, які у свою чергу, можуть служити центрами утворення кристалів льоду.

Чому ж переохолодження змушує гарячу воду застигати швидше? У випадку холодної води, яка не переохолоджується відбувається наступне. У цьому випадку тонкий шар льоду утворюватиметься на поверхні судини. Цей шар льоду діятиме як ізолятор між водою та холодним повітрям і перешкоджатиме подальшому випаровуванню. Швидкість формування кристалів льоду у разі буде менше. У разі гарячої води, що піддається переохолодженню, переохолоджена вода не має захисного поверхневого шару льоду. Тому вона втрачає тепло набагато швидше через відкритий верх.

Коли процес переохолодження закінчується і вода замерзає, втрачається набагато більше тепла і тому формується більше льоду.

Багато дослідників цього ефекту вважають переохолодження головним чинником у разі ефектом Мпемба.

Конвекція

Холодна вода починає замерзати зверху, погіршуючи тим самим процеси тепловипромінювання та конвекції, а значить і втрату тепла, тоді як гаряча вода починає замерзати знизу.

Пояснюється цей ефект аномалією густини води. Вода має максимальну щільністьпри 4°С. Якщо охолодити воду до 4°С і покласти її за більш низької температури, поверхневий шар води замерзне швидше. Тому що ця вода менш щільна ніж вода за температури 4 С, вона залишиться на поверхні, формуючи тонкий холодний шар. За цих умов тонкий шар льоду буде формуватися на поверхні води протягом короткого часу, але цей шар льоду служитиме ізолятором, що захищає нижні шари води, які залишатимуться при температурі 4 С. Тому подальший процес охолодження проходитиме повільніше.

У випадку гарячої води ситуація зовсім інша. Поверхневий шарводи буде охолоджуватися швидше за рахунок випаровування та більшої різниці температур. Крім того, холодний шари води більш щільні, ніж шари гарячої води, тому шар холодної води опускатиметься вниз, піднімаючи шар теплої води на поверхню. Така циркуляція води забезпечує швидке зниження температури.

Але чому цей процес не досягає точки рівноваги? Для пояснення ефекту Мпемби з цього погляду конвекції слід було б прийняти, що холодні і гарячі шари води розділені і процес конвекції триває після того, як середня температура води опуститься нижче 4 С.

Однак, немає експериментальних даних, які б підтверджували цю гіпотезу, що холодні та гарячі шари води розділені в процесі конвекції.

Розчинені у воді гази

Вода завжди містить розчинені у ній гази – кисень та вуглекислий газ. Ці гази мають здатність зменшувати точку замерзання води. Коли вода нагріта, ці гази виділяються з води, оскільки їх розчинність у воді за високої температури нижче. Тому коли гаряча вода охолоджується, у ній завжди менше розчинених газів, ніж у не нагрітій холодній воді. Тому точка замерзання нагрітої води вища і вона замерзає швидше. Цей фактор іноді розглядається як головний при поясненні ефекту Мпемби, хоча жодних експериментальних даних, що підтверджують цей факт, немає.

Теплопровідність

Цей механізм може відігравати істотну роль, коли вода поміщається в морозильник холодильної камери в невеликих контейнерах. У цих умовах помічено, що контейнер із гарячою водою протує під собою лід. морозильної камери, покращуючи тим самим тепловий контакт зі стінкою морозилки та теплопровідність. Внаслідок чого тепло відводиться від контейнера з гарячою водою швидше, ніж від холодного. У свою чергу контейнер із холодною водою не протаює під собою сніг.

Всі ці (і навіть інші) умови вивчалися у багатьох експериментах, але однозначної відповіді питання - які їх забезпечують стовідсоткове відтворення ефекту Мпембы - не було отримано.

Так, наприклад, 1995 року німецький фізик Давид Ауербах вивчав вплив переохолодження води на цей ефект. Він виявив, що гаряча вода, досягаючи переохолодженого стану, замерзає за вищої температури, ніж холодна, отже швидше останньої. Зате холодна вода досягає переохолодженого стану швидше за гарячу, компенсуючи тим самим попереднє відставання.

Крім того, результати Ауербаха суперечили отриманим раніше даними, що гаряча вода здатна досягти більшого переохолодження через меншу кількість центрів кристалізації. При нагріванні води з неї видаляються розчинені в ній гази, а при її кип'ятінні випадають в осад деякі розчинені в ній солі.

Стверджувати поки що можна лише одне - відтворення цього ефекту істотно залежить від умов, у яких проводиться експеримент. Саме тому, що він відтворюється далеко не завжди.

О. В. Мосін

Літературніджерела:

"Hot water freezes faster than cold water. Why does it do so?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.

"Freezing of Hot and Cold Water", G.S. Kell в American Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, в American Journal of Physics, Vol. 63, No. 10, pp 882-885; Oct, 1995.

"The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water", Charles A. Knight, в American Journal of Physics, Vol. 64, No. 5, p 524; May, 1996.