Яка вода швидше замерзає – гаряча чи холодна. Ефект мпемби, або чому гаряча вода замерзає швидше за холодну Яка вода замерзає швидше за холодну або гарячу

Здрастуйте, дорогі любителі цікавих фактів. Сьогодні ми з вами поговоримо про . Але я думаю, що винесене в заголовок питання може здатися просто абсурдним — але чи завжди слід довіряти безроздільно горезвісному «здоровому глузду», а не суворо поставленому перевірочному досвіду. Давайте спробуємо розібратися, чому гаряча вода швидше замерзає, ніж холодна?

Історична довідка

Що в питанні із заморожуванням холодної і гарячої води «не все чисто» згадувалося ще в працях Аристотеля, потім подібні замітки робили Ф.Бекон, Р.Декарт і Дж.Блек. У новітній історії за цим ефектом закріпилася назва «парадокс Мпемби» — на ім'я школяра з Танганьїки Ерасто Мпемби, який поставив це питання заїжджому професору фізики.

Питання хлопчика виникло не на порожньому місці, а із суто особистих спостережень за процесом охолодження сумішей для морозива на кухні. Зрозуміло, присутні однокласники разом зі шкільним учителем підняли Мпембу на сміх — проте після експериментальної перевірки особисто професором Д.Осборном бажання потішатися над Ерасто у них «випарувалося». Більше того, Мпембой спільно з професором 1969-го року в Physics Education було опубліковано детальний опис цього ефекту — і з того часу названа назва закріпилася в науковій літературі.

У чому сутність явища?

Постановка досвіду досить проста: за інших рівних умов випробовуються однакові тонкостінні судини, в них суворо рівні кількості води, що відрізняються лише температурою. Посудини завантажуються в холодильник, після чого засікається час до утворення льоду в кожному з них. Парадокс полягає в тому, що в посудині з більш гарячою рідиною це відбувається швидше.

Як це пояснює сучасна фізика?

Універсального пояснення парадокс немає, оскільки спільно протікає кілька паралельних процесів, внесок яких може відрізнятися від конкретних початкових умов — але з одноманітним результатом:

здатність рідини до переохолодження — спочатку холодна вода схильна до переохолодження, тобто. залишається рідкою тоді, коли її температура знаходиться вже нижче за точку замерзання
прискорене охолодження - пара від гарячої води трансформується в мікрокристаліки льоду, які при падінні назад прискорюють процес, працюючи як додатковий «зовнішній теплообмінник»
ефект ізоляції - на відміну від гарячої, холодна вода замерзає зверху, що призводить до зменшення тепловіддачі конвекцією та випромінюванням

Є й низка інших пояснень (останнього разу конкурс на кращу гіпотезу британське Королівське Хімічне Товариство проводило нещодавно, 2012-го) — але однозначної теорії для всіх випадків комбінацій вхідних умов не існує...

Британське Королівське хімічне товариство пропонує нагороду в 1 тисячу фунтів стерлінгів тому, хто зможе пояснити з наукового погляду, чому в деяких випадках гаряча вода замерзає швидше за холодну.

«Сучасна наука все ще не може відповісти на це просте на перший погляд питання. Виробники морозива та бармени використовують цей ефект у своїй повсякденній роботі, але ніхто насправді не знає, чому це працює. Ця проблема відома вже тисячоліття, такі філософи, як Арістотель та Декарт розмірковували про неї», - сказав президент Британського Королівського хімічного товариства, професор Девід Філіпс, слова якого наводяться в прес-релізі Товариства.

Як кухар з Африки переміг британського професора фізики

Це не першоквітневий жарт, а сувора фізична реальність. Нинішня наука, яка з легкістю оперує галактиками та чорними дірками, що будує гігантські прискорювачі для пошуку кварків та бозонів, не може пояснити, як «працює» елементарна вода. Шкільний підручник однозначно стверджує, що для охолодження більш нагрітого тіла потрібно більше часу, ніж для охолодження холодного тіла. А ось для води цей закон дотримується не завжди. На цей феномен звертав увагу ще Аристотель у 4 столітті до н. е. Ось що писав древній грек у книзі «Meteorologica I»: «Той факт, що вода попередньо нагрівається, сприяє її замерзанню. Тому багато людей, коли вони хочуть якнайшвидше охолодити гарячу воду, спочатку ставлять її на сонце...» У середні віки цей феномен намагалися пояснити Френсіс Бекон і Рене Декарт. На жаль, це не вдалося ні великим філософам, ні численним ученим, які розвивали класичну теплофізику, а тому про такий незручний факт надовго «забули».

І лише 1968 року «згадали» завдяки школяру Ерасто Мпембе з далекої від будь-якої науки Танзанії. Навчаючись у школі кухарського мистецтва, 1963 року 13-річний Мпембе отримав завдання зробити морозиво. За технологією треба було закип'ятити молоко, розчинити в ньому цукор, охолодити його до кімнатної температури, а потім поставити в холодильник для замерзання. Очевидно, Мпемба ні старанним учнем і забарився. 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 всіма правилами.

Коли Мпемба поділився своїм відкриттям із учителем фізики, той підняв його на сміх перед усім класом. Мпемба запам'ятав образу. Через п'ять років, будучи студентом університету в Дар-ес-Саламі, він опинився на лекції відомого фізика Дениса Г. Осборна. Після лекції він поставив вченому запитання: «Якщо ви візьмете два однакових контейнери з рівною кількістю води, один з температурою 35 °C (95 °F), а інший - 100 °C (212 °F), і помістіть їх у морозильник, то вода у гарячому контейнері замерзне швидше. Чому? Можете собі уявити реакцію британського професора на питання юнака із забутої Богом Танзанії. Він висміяв студента. Однак Мпемба був готовий до такої відповіді і викликав вченого на заклад. Їхня суперечка завершилася експериментальною перевіркою, що підтвердила правоту Мпемби та поразку Осборна. Так учень-поварянок вписав своє ім'я в історію науки, і відтепер цей феномен зветься «ефектом Мпемби». Відкинути його, оголосити як би неіснуючим не виходить. Явище існує, і, як писав поет, «ні в зуб ногою».

Винні порошинки та розчинені речовини?

За минулі роки багато хто намагався розгадати таємницю замерзаючої води. Було запропоновано цілий букет пояснень цього явища: випаровування, конвекція, вплив розчинених речовин - але жоден із цих факторів не можна визнати остаточним. Низка вчених присвятила ефекту Мпемба все життя. Співробітник кафедри радіаційної безпеки Державного університету Нью-Йорка – Джеймс Браунрідж (James Brownridge) – у вільний час займається вивченням парадоксу вже протягом десятиліття. Провівши сотні експериментів, учений стверджує, що має докази "вини" переохолодження. Браунрідж пояснює, що за 0°С вода лише переохолоджується, а замерзати починає, коли температура опускається нижче. Точка замерзання регулюється домішками, що знаходяться у воді - саме вони змінюють швидкість формування кристаликів льоду. Домішки, а це порошинки, бактерії та розчинені солі, мають характерну для них температуру нуклеації, коли навколо центрів кристалізації формуються кристалики льоду. Коли у воді знаходяться відразу декілька елементів, температура замерзання визначається тим із них, який має найвищу температуру нуклеації.

Для досвіду Браунрідж взяв дві проби води однакової температури та помістив їх у морозильну камеру. Він виявив, що один із екземплярів завжди замерзає раніше іншого – імовірно, через різне поєднання домішок.

Браунрідж стверджує, що гаряча вода остигає швидше через більшу різницю між температурами води та морозильної камери – це допомагає їй досягти своєї точки замерзання перш, ніж холодна вода досягне своєї природної точки замерзання, яка нижче, принаймні, на 5°С.

Втім, міркування Браунріджа викликають багато запитань. Тому ті, хто зуміє по-своєму пояснити ефект Мпемби, мають шанс поборотися за тисячу фунтів стерлінгів від Британського королівського хімічного товариства.

На те, яка вода швидше замерзає, гаряча чи холодна, впливає безліч факторів, але саме питання здається трохи дивним. Зрозуміло, і це відомо з фізики, що гарячій воді ще потрібен час для того, щоб охолонути до температури порівнюваної холодної води, щоб перетворитися на лід. цей етап можна пропустити, а, відповідно, у часі вона виграє.

Але відповідь на питання про те, яка вода замерзає швидше – холодна чи гаряча – на вулиці у мороз, знає будь-який мешканець північних широт. По суті, по-науковому, виходить, що в будь-якому випадку холодна вода просто повинна стати швидше.

Також подумав і вчитель фізики, до якого звернувся школяр Ерасто Мпемба в 1963 році з проханням пояснити, чому холодна суміш майбутнього морозива замерзає довше, ніж аналогічна, але гаряча.

"Це не всесвітня фізика, а якась фізика Мпемби"

Того разу вчитель тільки посміявся з цього, але Деніс Осборн, професор фізики, який свого часу заїхав до тієї ж школи, де навчався Ерасто, експериментально підтвердив наявність такого ефекту, хоч і пояснення тоді не знайшлося. 1969 року в популярному науковому журналі вийшла спільна стаття цих двох людей, які описали цей своєрідний ефект.

З тих пір, до речі, питання про те, яка вода швидше замерзає – гаряча чи холодна, має власну назву – ефект, або парадокс, Мпемби.

Питання виникало давно

Природно, що раніше такий феномен мав місце бути, і він був згаданий у роботах інших учених. Не тільки школяр цікавився цим питанням, а й свого часу про це думав Рене Декарт і навіть Арістотель.

Ось тільки підходи до вирішення даного парадоксу почали шукати лише наприкінці ХХ століття.

Умови для того, щоб відбувся парадокс

Як і у випадку з морозивом, не просто звичайна вода замерзає у процесі експерименту. Повинні бути певні умови для того, щоб почати сперечатися, яка вода замерзає швидше - холодна або гаряча. Що впливає перебіг цього процесу?

Зараз, у 21 столітті, висунуто кілька варіантів, які можуть пояснити цей парадокс. Те, яка вода замерзає швидше, гаряча або холодна, може залежати від того, що є більша, ніж у холоду, швидкість випаровування. Таким чином, зменшується її об'єм, а при зменшенні об'єму та час замерзання стає менше, ніж якщо взяти аналогічний початковий об'єм холодної води.

Давно розморожували морозилку

На те, яка вода замерзає швидше, і чому це відбувається, може вплинути снігова підкладка, яка може мати місце в холодильнику, що використовується для експерименту. Якщо взяти два контейнери, ідентичні за обсягом, але в одному з них буде гаряча вода, а в іншому - холодна, контейнер із гарячою водою розплавить під собою сніг, тим самим покращуючи контакт теплового рівня зі стінкою холодильника. Контейнер із холодною водою такого зробити не може. Якщо ж такої підкладки зі снігом в холодильній камері немає, холодна вода повинна стати швидше.

Верх – внизу

Також явище того, яка вода швидше замерзає – гаряча чи холодна, пояснюється так. Наслідуючи певні закони, холодна вода замерзати починає з верхніх шарів, коли гаряча робить це навпаки - починає замерзати знизу вгору. При цьому виходить, що холодна вода, маючи зверху холодний прошарок з льодом, що вже місцями утворився, погіршує собі таким чином процеси конвекції і теплового випромінювання, тим самим пояснюється, яка вода замерзає швидше - холодна або гаряча. Фото з аматорських експериментів додається, і це чітко видно.

Тепло виходить назовні, прагнучи вгору, а там зустрічається з дуже охолодженим шаром. Вільного шляху для тепловипромінювання немає, тому процес охолодження стає скрутним. Таких перешкод на своєму шляху не має гаряча вода. Яка замерзає швидше – холодна чи гаряча, від чого залежить можливий результат, можна розширити відповідь тим, що будь-яка вода має певні речовини, розчинені у ній.

Домішки у складі води як фактор, що впливає на результат

Якщо не шахраювати і використовувати воду з однаковим складом, де концентрації певних речовин є ідентичними, то холодна вода повинна замерзнути швидше. Але якщо ж відбувається ситуація, коли розчинені хімічні елементи є тільки в гарячій воді, а холодна вода при цьому ними не володіє, тоді є можливість гарячої води замерзнути раніше. Пояснюється це тим, що розчинені речовини у воді створюють центри кристалізації, і за малої кількості цих центрів перетворення води у тверде стані утруднене. Можливе навіть переохолодження води, у тому плані, що за мінусової температури вона перебуватиме в рідкому стані.

Але всі ці версії, мабуть, не до кінця влаштовували вчених і вони продовжували працювати над цим питанням. У 2013 році команда дослідників у Сінгапурі заявила, що їм вдалося розгадати вікову загадку.

Група з китайських вчених стверджує, що секрет даного ефекту полягає в кількості енергії, яка запасена між молекулами води в її зв'язках, які називають водневими.

Розгадка від китайських вчених

Далі буде інформація, для розуміння якої необхідно мати деякі знання в хімії, щоб розібратися в тому, яка вода замерзає швидше - гаряча або холодна. Як відомо, складається з двох атомів Н (водню) і одного атома (кисню), що утримуються між собою ковалентними зв'язками.

Але також атоми водню однієї молекули притягуються і до сусідніх молекул, до їхньої кисневої складової. Саме такі зв'язки називаються водневими.

При цьому варто пам'ятати, що в той же час молекули води діють одна від одної. Вчені відзначили, що при нагріванні води між її молекулами збільшується відстань, і цьому сприяють якраз відштовхувальні сили. Виходить так, що, займаючи одну відстань між молекулами в холодному стані, можна сказати, розтягуються, і у них з'являється більший запас енергії. Саме цей запас енергії вивільняється, коли молекули води починають зближуватися один з одним, тобто відбувається охолодження. Виходить, що більший запас енергії у гарячій воді, і її більше вивільнення при охолодженні до мінусових температур відбувається швидше, ніж у холодній воді, у якої запас такої енергії менший. Тож яка вода замерзає швидше - холодна чи гаряча? На вулиці та в лабораторії має відбуватися парадокс Мпемби, і гаряча вода має перетворюватися на лід швидше.

Але питання все ще відкрите

Існує лише теоретичне підтвердження цієї розгадки - все це написано красивими формулами і здається правдоподібним. Але коли дані експериментів, яка вода швидше замерзає - гаряча чи холодна, будуть поставлені в практичному сенсі, і їх результати будуть представлені, тоді і можна буде вважати питання парадоксу Мпемби закритим.

У цій статті ми розглянемо питання, чому гаряча вода замерзає швидше за холодну.

Нагріта вода замерзає набагато швидше, ніж холодна! Це дивовижна властивість води, точне пояснення якому вчені не можуть знайти досі, відомо з найдавніших часів. Наприклад, ще в Аристотеля зустрічається опис зимової риболовлі: рибалки вставляли вудки в отвори в льоду, і щоб вони швидше вмерзли, поливали лід теплою водою. Назва цього явища отримало на ім'я Ерасто Мпемби у 60-ті роки XX століття. Мемба помітив дивний ефект, коли готував морозиво, і звернувся по пояснення до свого викладача фізики — доктора Дениса Осборна. Мпемба і доктор Осборн експериментували з водою різної температури і зробили висновок: майже кипляча вода починає замерзати набагато швидше, ніж вода кімнатної температури. Інші вчені проводили власні експерименти та щоразу отримували схожі результати.

Пояснення фізичного явища

Загальновизнаного пояснення, чому так відбувається, поки немає. Багато дослідників припускають, що вся справа в переохолодженні рідини, що відбувається, коли її температура опускається нижче за температуру замерзання. Інакше висловлюючись, якщо вода замерзає при температурі нижче 0°З, то переохолоджена вода може мати температуру, наприклад, -2°З при цьому залишатися рідкої, не перетворюючись на лід. Коли ми намагаємося заморозити холодну воду, є ймовірність, що вона спочатку переохолодиться, а затвердіє лише за якийсь час. У нагрітій воді відбуваються інші процеси. Її швидше перетворення на лід пов'язують із конвекцією.

Конвекція— це фізичне явище, у якому теплі нижні шари рідини піднімаються, а верхні, охололі, опускаються.

Коротка відповідь, чому гаряча вода замерзає швидше

Виходить, що рідина ніби сама перемішується та остигає. Через те, що у розігрітій воді процес конвекції відбувається активно, кристалики льоду з поверхні опускатимуться швидше та охолоджуватимуть теплу воду на дні.

Багатьма дослідниками висувалися і висуваються свої версії щодо того, чому гаряча вода замерзає швидше за холодну. Здавалося б, феномен – адже для того, щоб замерзнути, гарячій воді для початку потрібно охолонути. Однак факт залишається фактом, і вчені пояснюють його по-різному.

На даний момент існують кілька версій, які пояснюють цей факт:

Оскільки випаровування у гарячій воді відбувається швидше, її обсяг зменшується. А замерзання меншої кількості води тієї ж температури відбувається швидше.
Морозильна камера холодильника має снігову прокладку. Контейнер, де міститься гаряча вода, розтоплює сніг під собою. При цьому покращується тепловий контакт із морозилкою.
Замерзання холодної води, на відміну гарячої, починається зверху. У цьому конвекція і тепловипромінювання, отже, теплова спад погіршуються.
У холодній воді є центри кристалізації – розчинені у ній речовини. При невеликому їх утриманні у воді заледеніння утруднене, хоча в той же час можливе її переохолодження – коли при мінусовій температурі вона має рідкий стан.

Хоча заради справедливості можна сказати, що цей ефект спостерігається не завжди. Найчастіше замерзання холодної води відбувається швидше, ніж гарячої.

За якої температури вода замерзає

Чому взагалі відбувається замерзання води? У її складі міститься певна кількість мінеральних чи органічних частинок. Це, наприклад, можуть бути дуже дрібні частинки піску, пилу чи глини. При зниженні температури повітря ці частинки є центрами, навколо яких утворюються крижані кристали.

Роль ядер кристалізації можуть виконувати бульбашки повітря і тріщини в ємності, де міститься вода. На швидкість процесу перетворення води на лід багато в чому впливає кількість таких центрів – якщо їх багато, рідина замерзає швидше. За звичайних умов, з нормальним атмосферним тиском вода переходить у твердий стан з рідкого при температурі 0 градусів.

Суть ефекту Мпемби

Під ефектом Мпемби розуміють парадокс, суть якого в тому, що за певних обставин гаряча вода замерзає швидше за холодну. Цей феномен був помічений ще Аристотелем та Декартом. Проте тільки в 1963 році школяр з Танзанії Ераст Мпемба визначив, що гаряче морозиво замерзає за більш короткий час, ніж холодне. Такий висновок він зробив, виконуючи завдання з кухарської справи.

Він повинен був розчинити в закипілому молоці цукор і, охолодивши його, помістити для замерзання в холодильник. Зважаючи на все, Мпемба особливої старанністю не відрізнявся і першу частину завдання почав виконувати із запізненням. Тому він не став чекати остигання молока, і визначив його в холодильник гарячим. Він дуже здивувався, коли воно замерзло ще швидше, ніж у його однокласників, які виконували роботу відповідно до заданої технології.

Цей факт дуже зацікавив юнака, і він розпочав експерименти із простою водою. У 1969 році журнал Physics Education опублікував результати досліджень Мпемби та професора Денніса Осборна з університету в Дар-ес-Саламі. Описаному ефекту дали ім'я Мпемби. Однак і сьогодні феномен немає чіткого пояснення. Всі вчені сходяться на думці, що основна роль належить у цьому відмінностям властивостей охолодженої та гарячої води, проте яким саме – невідомо.

Сінгапурська версія

Фізиків одного із сінгапурських університетів також зацікавило питання, яка вода швидше замерзає – гаряча чи холодна? Команда дослідників під керівництвом Сі Чзана пояснила цей феномен саме властивостями води. Усім ще зі шкільної лави відомий склад води – атом кисню та два водневі атоми. Кисень певною мірою відтягує від водню електрони, тому молекула є певного роду «магніт».

Через війну певні молекули у питній воді трохи притягуються між собою об'єднуються зв'язком водню. Її міцність у багато разів нижча за ковалентний зв'язок. Сінгапурські дослідники вважають, що пояснення парадоксу Мпемби якраз у водневих зв'язках. Якщо молекули води розміщені між собою дуже щільно, така сильна взаємодія між молекулами здатна деформувати ковалентний зв'язок у середині самої молекули.

А ось при нагріванні води зв'язані молекули злегка віддаляються одна від одної. В результаті в середині молекул відбувається релаксація ковалентних зв'язків із віддачею зайвої енергії та переходом на нижчий енергетичний рівень. Це призводить до того, що гаряча вода починає пришвидшено охолоджуватися. Принаймні так показують теоретичні розрахунки, які провели сінгапурські вчені.