Эффект мпембы, или почему горячая вода замерзает быстрее холодной. Почему горячая вода замерзает быстрее холодной

На то, какая вода быстрее замерзает, горячая или холодная, влияет множество факторов, но сам по себе вопрос кажется немного странным. Подразумевается, и это известно из физики, что горячей воде еще нужно время для того, чтобы остыть до температуры сравниваемой холодной воды, чтобы превратиться в лед. Холодной воде этот этап можно пропустить, а, соответственно, по времени она выигрывает.

Но ответ на вопрос о том, какая вода замерзает быстрее - холодная или горячая - на улице в мороз, знает любой житель северных широт. По сути, по-научному, выходит, что в любом случае холодная вода просто обязана замерзнуть быстрее.

Так же подумал и учитель физики, к которому обратился школьник Эрасто Мпемба в 1963 году с просьбой объяснить, почему холодная смесь будущего мороженого замерзает дольше, чем аналогичная, но горячая.

"Это не всемирная физика, а какая-то физика Мпембы"

В тот раз учитель только посмеялся над этим, но Денисс Осборн, профессор физики, который в свое время заехал в ту же школу, где учился Эрасто, экспериментально подтвердил наличие такого эффекта, хотя и объяснения тогда этому не нашлось. В 1969 году в популярном научном журнале вышла совместная статья этих двух людей, которые описали этот своеобразный эффект.

С тех пор, кстати, вопрос о том, какая вода быстрее замерзает - горячая или холодная, имеет собственное название - эффект, или же парадокс, Мпембы.

Вопрос возникал давно

Естественно, что и раньше такой феномен имел место быть, и он был упомянут в работах других ученых. Не только школьник интересовался этим вопросом, но и свое время об этом думал Рене Декарт и даже Аристотель.

Вот только подходы к решению данного парадокса приступили искать только в конце двадцатого века.

Условия для того, чтобы произошел парадокс

Как и в случае с мороженым, не просто обычная вода замерзает в процессе эксперимента. Должны присутствовать определённые условия для того, чтобы начать спорить, какая вода замерзает быстрее - холодная или горячая. Что влияет на протекание данного процесса?

Сейчас, в 21 веке, выдвинуто несколько вариантов, которые могут объяснить даный парадокс. То, какая вода замерзает быстрее, горячая или холодная, может зависеть от того, что у имеется большая, чем у холодой, скорость испарения. Таким образом, уменьшается ее объем, а при уменьшении объема и время замерзания становится меньше, нежели если взять аналогичный изначальный объем холодной воды.

Давно размораживали морозилку

На то, какая вода замерзает быстрее, и почему это происходит, может повлиять снеговая подкладка, которая может иметь место в морозилке холодильника, используемого для эксперимента. Если взять два контейнера, идентичных по объему, но в одном из них будет горячая вода, а в другом - холодная, контейнер с горячей водой расплавит под собой снег, тем самым улучшая контакт теплового уровня со стенкой холодильника. Контейнер с холодной водой такого сделать не может. Если же таковой подкладки со снегом в холодильной камере нет, холодная вода должна замерзнуть быстрее.

Верх - внизу

Также явление того, какая вода быстрее замерзает - горячая или холодная, объясняется следующим образом. Следуя определенным законам, холодная вода замерзать начинает с верхних слоев, когда горячая делает это наоборот - начинает замерзать снизу вверх. При этом выходит, что холодная вода, имея сверху холодную прослойку с уже местами образовавшимся льдом, ухудшает себе таким образом процессы конвекции и теплового излучения, тем самым объясняется, какая вода замерзает быстрее - холодная или горячая. Фото с любительских экспериментов прилагается, и здесь это четко видно.

Тепло выходит наружу, стремясь вверх, а там встречается с очень охлажденным слоем. Свободного пути для теплоизлучения не имеется, потому процесс охлаждения становится затруднительным. Таких преград на своем пути абсолютно не имеет горячая вода. Какая замерзает быстрее - холодная или горячая, от чего зависит вероятный исход, можно расширить ответ тем, что любая вода имеет определенные вещества, растворенные в ней.

Примеси в составе воды как фактор, влияющий на исход

Если не жульничать и использовать воду с одинаковым составом, где концентрации определенных веществ являются идентичными, то холодная вода должна замерзнуть быстрее. Но если же происходит ситуация, когда растворённые химические элементы в наличии только в горячей воде, а холодная вода при этом ими не обладает, тогда есть возможность у горячей воды замерзнуть раньше. Объясняется это тем, что растворенные вещества в воде создают центры кристаллизации, и при малом количестве этих центров превращение воды в твердое состоянии затруднено. Возможно даже переохлаждение воды, в том плане, что при минусовой температуре она будет находиться в жидком состоянии.

Но все эти версии, видно, не до конца устраивали ученых и они продолжали работать над этим вопросом. В 2013 году команда исследователей в Сингапуре заявила, что им удалось разгадать вековую загадку.

Группа из китайских ученых утверждает, что секрет данного эффекта состоит в количестве энергии, которая запасена между молекулами воды в ее связях, именуемых водородными.

Разгадка от китайских ученых

Далее последует информация, для понимания которой необходимо иметь некоторые знания в химии, чтобы разобраться в том, какая вода замерзает быстрее - горячая или холодная. Как известно, состоит из двух атомов Н (водорода) и одного атома О (кислорода), удерживаемых между собой ковалентными связями.

Но также атомы водорода одной молекулы притягиваются и к соседним молекулам, к их кислородной составляющей. Именно такие связи называются водородными.

При этом стоит помнить, что в то же время молекулы воды действуют друг на друга отталкивающее. Ученые отметили, что при нагревании воды между ее молекулами увеличивается расстояние, и этому способствуют как раз отталкивающие силы. Получается так, что занимая одно расстояние между молекулами в холодном состоянии, можно сказать, растягиваются, и у них появляется больший запас энергии. Именно этот запас энергии высвобождается, когда молекулы воды начинают сближаться друг с другом, то есть, происходит охлаждение. Выходит, что больший запас энергии в горячей воде, и ее большее высвобождение при охлаждении до минусовых температур, происходит быстрее, чем в холодной воде, у которой запас такой энергии меньше. Так какая вода замерзает быстрее - холодная или горячая? На улице и в лаборатории должен происходить парадокс Мпембы, и горячая вода должна превращаться в лед быстрее.

Но вопрос все еще открыт

Существует лишь теоретическое подтверждение данной разгадки - все это написано красивыми формулами и кажется правдоподобным. Но вот когда данные экспериментов, какая вода быстрее замерзает - горячая или холодная, будут поставлены в практическом смысле, и их результаты будут представлены, тогда и можно будет считать вопрос парадокса Мпембы закрытым.

Феномен застывания горячей воды с большей скоростью, чем холодной, известен в науке как эффект Мпембы . Над этим парадоксальным явлением размышляли такие великие умы как Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт , но за тысячелетия никому ещё не удавалось предложить разумное объяснение этому феномену.

Лишь в 1963 году школьник из республики Танганьика, Эрасто Мпемба, заметил этот эффект на примере мороженого, но объяснения ему не дал никто из взрослых. Тем не менее, физики и химики серьёзно задумались над столь простым, но столь непонятным явлением.

С тех пор высказывались разные версии, одна из которых звучала следующим образом: часть горячей воды сначала просто испаряется, а потом, когда осталось меньшее её количество, вода застывает быстрее. Эта версия, в силу своей простоты, стала самой популярной, но учёных удовлетворяла не полностью.

Ныне команда исследователей из Технологического университета Наньян в Сингапуре (Nanyang Technological University) во главе с химиком Си Чжаном (Xi Zhang) заявила, что им удалось разрешить вековую загадку о том, почему тёплая вода застывает быстрее, чем холодная. Как выяснили китайские специалисты, секрет кроется в количестве энергии, запасённой в водородных связях между молекулами воды.

Как известно, молекулы воды состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода, удерживаемых вместе ковалентными связями , что на уровне частиц выглядит как обмен электронами. Другой известный факт заключается в том, что атомы водорода притягиваются к атомам кислорода из соседних молекул — при этом образуются водородные связи .

В это же время молекулы воды в целом отталкиваются друг от друга. Учёные из Сингапура заметили: чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды − молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии, как известно, и означает охлаждение.

Как пишут химики в своей статье , которую можно найти на сайте препринтов arXiv.org, в горячей воде водородные связи натягиваются сильнее, чем в холодной. Таким образом, оказывается, что в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, а значит, её высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. По этой причине застывание происходит быстрее.

На сегодняшний день учёные разгадали эту загадку лишь теоретически. Когда они представят убедительные доказательства своей версии, то вопрос о том, почему горячая вода застывает быстрее холодной, можно будет считать закрытым.

Здравствуйте, дорогие любители интересных фактов. Сегодня мы с вами поговорим про . Но я думаю, что вынесенный в заголовок вопрос может показаться попросту абсурдным — но всегда ли следует безраздельно доверяться пресловутому «здравому смыслу», а не строго поставленному проверочному опыту. Давайте попытаемся разобраться, почему горячая вода быстрее замерзает чем холодная?

Историческая справка

Что в вопросе с замораживанием холодной и горячей воды «не всё чисто» упоминалось ещё в трудах Аристотеля, затем подобного же рода заметки делали Ф.Бэкон, Р.Декарт и Дж.Блэк. В новейшей истории за данным эффектом закрепилось название «парадокс Мпембы» — по имени школьника из Танганьики Эрасто Мпембы, задавшего этот же вопрос заезжему профессору физики.

Вопрос мальчика возник не на пустом месте, а из сугубо личных наблюдений за процессом охлаждения смесей для мороженого на кухне. Разумеется, присутствовавшие там же одноклассники вместе со школьным учителем подняли Мпембу на смех — однако после экспериментальной проверки лично профессором Д.Осборном желание потешаться над Эрасто у них «испарилось». Более того, Мпембой совместно с профессором в 1969-ом году в Physics Education было опубликовано детальное описание этого эффекта — и с тех пор вышеупомянутое название закрепилось в научной литературе.

В чём суть явления?

Постановка опыта достаточно проста: при прочих равных условиях испытываются одинаковые тонкостенные сосуды, в них — строго равные количества воды, отличающиеся лишь температурой. Сосуды загружаются в холодильник, после чего засекается время до образования льда в каждом из них. Парадокс состоит в том, что в сосуде с изначально более горячей жидкостью это происходит быстрее.

Как это объясняет современная физика?

Универсального объяснения парадокс не имеет, поскольку совместно протекает несколько параллельных процессов, вклад которых может разниться от конкретных начальных условий — но с единообразным результатом:

• способность жидкости к переохлаждению — изначально холодная вода более склонна к переохлаждению, т.е. остаётся жидкой тогда, когда её температура находится уже ниже точки замерзания
• ускоренное охлаждение — пар от горячей воды трансформируется в микрокристаллики льда, которые при падении обратно ускоряют процесс, работая как дополнительный «внешний теплообменник»
• эффект изоляции — в отличие от горячей, холодная вода замерзает сверху, что приводит к уменьшению теплоотдачи конвекцией и излучением

Имеется и ряд других объяснений (последний раз конкурс на лучшую гипотезу британское Королевское Химическое Общество проводило недавно, в 2012-ом) — но однозначной теории для всех случаев комбинаций входных условий не существует до сих пор...

Британское Королевское химическое общество предлагает награду в 1 тысячу фунтов стерлингов тому, кто сможет объяснить с научной точки зрения, почему в некоторых случаях горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

«Современная наука все еще не может ответить на этот простой на первый взгляд вопрос. Производители мороженого и бармены используют этот эффект в своей повседневной работе, но никто в действительности не знает, почему это работает. Эта проблема известна уже тысячелетия, такие философы, как Аристотель и Декарт размышляли о ней», - сказал президент Британского Королевского химического общества, профессор Дэвид Филипс, слова которого приводятся в пресс-релизе Общества.

Как поваренок из Африки победил британского профессора физики

Это не первоапрельская шутка, а суровая физическая реальность. Нынешняя наука, с легкостью оперирующая галактиками и черными дырами, строящая гигантские ускорители для поиска кварков и бозонов, не может пояснить, как «работает» элементарная вода. Школьный учебник однозначно утверждает, что для охлаждения более нагретого тела требуется больше времени, чем для охлаждения тела холодного. А вот для воды данный закон соблюдается не всегда. На этот парадокс обращал внимание еще Аристотель в 4 веке до н. э. Вот что писал древний грек в книге «Meteorologica I»: «Тот факт, что вода предварительно нагревается, способствует ее замерзанию. Поэтому многие люди, когда они хотят быстрей охладить горячую воду, сначала ставят ее на солнце...» В средние века данный феномен пытались объяснить Френсис Бэкон и Рене Декарт. Увы, это не удалось ни великим философам, ни многочисленным ученым, развивавшим классическую теплофизику, а посему о таком неудобном факте надолго «забыли».

И только в 1968 году «вспомнили» благодаря школьнику Эрасто Мпембе из далекой от всякой науки Танзании. Обучаясь в щколе поварского искусства, в 1963 году 13-летний Мпембе получил задание сделать мороженое. По технологии, надо было вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был усердным учеником и замешкался. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по всем правилам.

Когда Мпемба поделился своим открытием с учителем физики, тот поднял его на смех перед всем классом. Мпемба запомнил обиду. Через пять лет, уже будучи студентом университета в Дар-эс-Саламе, он оказался на лекции известного физика Дениса Г. Осборна. После лекции он задал ученому вопрос: «Если вы возьмете два одинаковых контейнера с равным количеством воды, один с температурой 35 °C (95 °F) , а другой - 100 °C (212 °F) , и поместите их в морозильник, то вода в горячем контейнере замерзнет быстрей. Почему?» Можете себе представить реакцию британского профессора на вопрос юноши из забытой Богом Танзании. Он высмеял студента. Однако Мпемба был готов к такому ответу и вызвал ученого на пари. Их спор завершился экспериментальной проверкой, подтвердившей правоту Мпембы и поражение Осборна. Так ученик-поваренок вписал свое имя в историю науки, и отныне этот феномен носит название «эффекта Мпембы». Отбросить его, объявить как бы «несуществующим» не получается. Явление существует, и, как писал поэт, «ни в зуб ногой».

Виноваты пылинки и растворенные вещества?

За прошедшие годы многие пытались разгадать тайну замерзающей воды. Был предложен целый букет объяснений этого явления: испарение, конвекция, влияние растворенных веществ - но ни один из этих факторов нельзя признать окончательным. Ряд ученых посвятил эффекту Мпемба всю жизнь. Сотрудник кафедры радиационной безопасности Государственного университета Нью-Йорка – Джеймс Браунридж (James Brownridge) – в свободное время занимается изучением парадокса вот уже на протяжении десятилетия. Проведя сотни экспериментов, учёный утверждает, что имеет доказательства «вины» переохлаждения. Браунридж объясняет, что при 0°С вода лишь переохлаждается, а замерзать начинает, когда температура опускается ниже. Точка замерзания регулируется находящимися в воде примесями - именно они изменяют скорость формирования кристалликов льда. Примеси, а это пылинки, бактерии и растворённые соли, имеют характерную для них температуру нуклеации, когда вокруг центров кристаллизации формируются кристаллики льда. Когда в воде находятся сразу несколько элементов, температура замерзания определяется тем из них, который имеет самую высокую температуру нуклеации.

Для опыта Браунридж взял две пробы воды одинаковой температуры и поместил их в морозильную камеру. Он обнаружил, что один из экземпляров всегда замерзает раньше другого – предположительно, из-за разного сочетания примесей.

Браунридж утверждает, что горячая вода остывает быстрее из-за большей разницы между температурами воды и морозильной камеры – это помогает ей достичь своей точки замерзания прежде, чем холодная вода достигнет своей естественной точки замерзания, которая ниже, по крайней мере, на 5° С.

Впрочем, рассуждения Браунриджа вызывают много вопросов. Поэтому у тех, кто сумеет по-своему объяснить эффект Мпембы, есть шанс побороться за тысячу фунтов стерлингов от Британского королевского химического общества.

21.11.2017 11.10.2018 Александр Фирцев

«Какая вода замерзает быстрее холодная или горячая? » — попробуйте задать вопрос своим знакомым, скорее всего большинство из них ответят, что быстрее замерзает холодная вода — и допустят ошибку.

На самом деле, если одновременно поставить в морозильную камеру два одинаковых по форме и объёму сосуда, в одном из которых будет холодная вода, а в другом горячая, то быстрее замёрзнет именно горячая вода.

Подобное утверждение может показаться абсурдным и неразумным. Если следовать логике, то горячая вода должна сначала остыть до температуры холодной, а холодная в этой время должна уже уже превратится в лёд.

Так почему же горячая вода обгоняет холодную на пути к замерзанию? Попробуем разобраться.

История наблюдений и исследований

Парадоксальный эффект люди наблюдали ещё с давних времён, но никто не придавал ему особого значения. Так не состыковки по скорости замерзания холодной и горячей воды отмечал в своих записях Арестотель, а также Рене Декарт и Френсис Бэкон. Необычное явление часто проявлялось в быту.

Долгое время явление никак не изучалось и не вызывало особого интереса среди учёных.

Начало изучения необычного эффекта было положено в 1963 году когда любознательный школьник из Танзании — Эрасто Мпемба, заметил, что горячее молоко для мороженного замерзает быстрее чем холодное. В надежде получить объяснение причин возникновения необычного эффекта, молодой человек задал вопрос своему учителю физики в школе. Однако учитель лишь посмеялся над ним.

Позднее Мпемба повторил эксперимент, однако в своём опыте он использовал уже не молоко, а воду и парадоксальный эффект вновь повторился.

Спустя 6 лет — в 1969 году Мпемба задал этот вопрос профессору физики Деннису Осборну приехавшему в его школу. Профессора заинтересовало наблюдение юноши, в итоге был проведён эксперимент, который подтвердил наличие эффекта, однако причин данного феномена установлено не было.

С тех пор явление называли эффектом Мпембы .

За всю историю научных наблюдений было выдвинуто множество гипотез о причинах возникновения феномена.

Так в 2012 году британским Королевским химическим обществом бы объявлен конкурс гипотез, объясняющих эффект Мпембы. В конкурсе участвовали учёные со всего Мира, всего было зарегистрировано 22 000 научных работ. Не смотря на столь внушительное количество статей, ни одна из них не внесла ясности в парадокс Мпембы.

Наиболее распространённой была версия согласно которой, горячая вода замерзает быстрее, так как она просто быстрее испаряется, её объём становится меньше, и по мере уменьшения объёма, скорость её остывания увеличивается. Самая распространённая версия в итоге была опровергнута так как был проведён эксперимент, в котором было исключено испарение, а эффект тем не менее подтверждался.

Другие учёные считали, что причина эффекта Мпембы заключается в испарении растворённых в воде газов. По их мнению, в процессе нагревания испаряются растворённые в воде газы, за счёт чего она обретает более высокую плотность чем холодная. Как известно, повышение плотности приводит к изменению физических свойств воды (увеличению теплопроводности), а следовательно и увеличению скорости охлаждения.

Помимо этого, был выдвинут ряд гипотез, описывающих скорость циркуляции воды, в зависимости от температуры. Во многих исследованиях была предпринята попытка установить взаимосвязь между материалом контейнеров в которых располагалась жидкость. Очень многие теории казались весьма правдоподобными, однако научно подтвердить их не удавалось из-за недостатка исходных данных противоречиях в других экспериментах, или же из-за того, что выявленные факторы были просто не сопоставимы со скоростью охлаждения воды. Некоторые учёные в своих работах ставили под сомнение существование эффекта.

В 2013 году, исследователи из Технологического университета Наньян в Сингапуре заявили, что разгадали загадку эффекта Мпембы. Согласно проведённому ими исследованию, причина феномена кроется в том, что количество энергии, запасённой в водородных связях между молекулами холодной и горячей воды существенно отличается.

Методы компьютерного моделирования показали следующие результаты: чем выше температура воды, тем большим оказывается расстояние между молекулами из-за того, что отталкивающие силы увеличиваются. А следовательно водородные связи молекул растягиваются, запасая большее количество энергии. При охлаждении молекулы начинают сближаться друг с другом, высвобождая энергию из водородных связей. При этом отдача энергии сопровождается понижением температуры.

В октябре 2017 года Испанские физики в ходе очередного исследования выяснили, что большую роль в формировании эффекта играет именно выведение вещества из равновесия (сильный нагрев перед сильным охлаждением). Они определили условия при которых вероятность проявления эффекта максимальна. Помимо этого, ученые из Испании подтвердили существование обратного эффекта Мпембы. Они выявили, что при нагревании более холодный образец может достичь высокой температуры быстрее, чем теплый.

Не смотря на исчерпывающие сведения и многочисленные эксперименты, учёные намерены продолжать изучение эффекта.

Эффект Мпембы в реальной жизни

А вы года нибудь задумывались почему в зимнее время каток заливают горячей водой, а не холодной? Как вы уже поняли, делают это потому, что каток залитый горячей водой замёрзнет быстрее, чем если бы его заливали холодной. По той же причине горячей водой заливают горки в зимних ледовых городках.

Таким образом, знание о существовании феномена позволяет людям сэкономить время при подготовке площадок для зимних видов спорта.

Помимо этого, эффект Мпембы иногда используется и в промышленности — для сокращения времени заморозки продуктов, веществ и материалов, содержащих воду.