В одном сосуде кипяток и лед

«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 Аристотель, 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.

Если понравилась статья, то поделитесь ей с друзьями!

Читайте также

Животные вымершие за последние 100 лет. 15 животных вымерших совсем недавно

9 Вещей, которые вам понадобятся для создания “женского уголка” в спальне

Что делать с низкими потолками : 10 ценных советов

5 завораживающих историй о самых загадочных людях в Мире

Почему в России перестали строить торговые центры

Парадокс Мпембы — один из множества примеров, как наше мышление достраивает картину мира, которая в итоге может категорически не совпасть с реальностью. Мышление нас обманывает. Вода не стремиться поразить нас никакими «фокусами»: реальность такая, какая она есть, и если какая-нибудь часть реальности противоречит нашему представлению о ней, мы называем это парадоксом.

Многие из нас в детстве, а также в юношестве, часто экспериментировали с физическими явлениями, в том числе с замерзанием воды. Как ни странно, но многие из нас знают, что почему-то катки принято заливать горячей водой, а не холодной, потому что она быстрее замерзает.

Об этом факте было известно очень давно, еще со времен Аристотеля, а также Декарта. Однако каких-то научных подтверждений не было. Только в 1963 году начались существенные работы, основная задача которых выяснить, почему так происходит.

Согласно физике, это противоречит первому закону термодинамики, согласно которому одна энергия перетекает в другую. По первому началу термодинамики нагретая жидкость, перед тем как отвердеть, должна пройти температуру охлаждения, соответственно и время отвердения должно быть гораздо больше.

Однако на практике происходит иначе. Об этом задумался школьник, который задал своему учителю физики соответствующий вопрос. Мальчик готовил дома мороженое, и заметил, что стакан с теплой жидкостью замерз гораздо быстрее, нежели с прохладной, при одинаковом составе субстанции.

Тогда учитель лишь посмеялся над парнем, сказав, что это противоречит первому закону термодинамики, поэтому невозможно. После визита в школу известного физика Осборна, мальчик задал ему тот же вопрос, чем заинтересовал ученого.

Именно с 1963 года Осборн, вместе с мальчиком, начали заниматься этим вопросом, в результате чего была опубликована статья, в журнале educacion. При этом точного ответа, почему же нагретая жидкость отвердевает быстрее холодной, не было получено. 

По мнению некоторых ученых, теплый раствор в холодильнике с термостатом переходит в твердое состояние гораздо быстрее лишь по той причине, что холодильник начинает сильнее морозить, при поступлении сигнала о повышении температуры в камере. Этого не происходит с охлажденной жидкостью, так как ее температура гораздо ниже, и термостат работает в обычном режиме, без снижения температуры хладагента. Однако эта версия не получила подтверждение по той причине, что нагретая жидкость в обычных условиях на воздухе, также отвердевает гораздо быстрее, чем холодная. Соответственно термостата в обычных уличных условиях нет, поэтому и усиления холода не происходит.

Однако удалось выяснить, что нагретая жидкость, из-за наличия над поверхностью большого количества испарений, отвердевает гораздо быстрее по причине того, что на поверхности образуются пары, объем жидкости в контейнере уменьшается. Тем самым удается заморозить меньшее количество жидкости, что гораздо проще, чем большее. Однако на практике потеря объема незначительная, поэтому и процесс затвердения нельзя считать оправданным. 

Многие ученые сходятся во мнении, что нагретая жидкость, из-за наличия испарений, начинает превращаться в лед быстрее. Ледяные капельки над поверхностью, попадают в воду, что способствует образованию корки льда, из-за чего происходит быстрый процесс превращения в лед. 

Научные работники выяснили, что, если поставить емкость с теплой жидкостью на снег, или ледяную корку в холодильнике, она начинает плавиться, в результате чего контакт между емкостью, водой в ней, а также холодильником, увеличивается, тем самым увеличивается площадь соприкосновения, в результате чего происходит быстрое замерзание теплой воды. Охлажденная вода не оказывает такого эффекта из-за того, что под ней снежная подушка не плавится, и процесс превращения в лед происходит гораздо медленнее. Кроме того, удалось выяснить, что холодная жидкость, при снижении температуры, начинается отвердевать в верхней части. В результате этого ухудшаются процессы смешения воды внутри, поэтому и процесс затягивается. Нагретая жидкость начинает замерзать снизу, тем самым усиливая процессы конвекции, теплоизлучения. 

В 2017 году была опубликована гипотеза, согласно которой эффект Мпембы, который касается нагрева охлажденной системы, не соответствует равновесию. Поэтому под этот парадокс не подходят все основные законы физики и термодинамики.

Однозначного ответа на вопрос, какие эксперименты обеспечивают стопроцентное воспроизведение эффекта Мпембы, так и не было получено.