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.
Эта история началась более полувека назад, но не получила развязки и по сей день. А всё потому, что, как бы ни старались тысячи пытливых умов со всей планеты, им никак не удаётся найти единственно верное решение Мпембы.
В 1963 году неприметный африканский ученик по имени Эрасто Мпемба (Erasto Mpemba) подметил одну странность: тёплая смесь для мороженого застывает быстрее, чем охлаждённая.
Наблюдение казалось настолько неправдоподобным, что учителю физики оставалось лишь посмеяться над открытием незадачливого экспериментатора. Однако Эрасто был уверен в своей правоте и не побоялся снова стать посмешищем: чуть позже он поднял скользкий вопрос перед Денисом Осборном (Denis Osborne), профессором Университета Дар-эс-Салам, Танзания. Учёный не стал бросаться поспешными выводами и решил изучить проблему. После чего в 1969 году журнал Physics Education опубликовал материал, описывающий парадокс Мпембы.
В научных кругах тут же припомнили, что нечто похожее уже говорили величайшие умы былых времён. Например, ещё упоминал о жителях древнегреческого Понта, которые во время зимней рыбалки нагревали воду и мочили в ней тростник, чтобы тот быстрее затвердевал. Многие столетия спустя Фрэнсис Бэкон писал: «Слегка прохладная вода замерзает гораздо легче, чем совершенно холодная».
В общем, вопрос стар как мир, но это лишь подогревает интерес к разгадке. На протяжении нескольких последних десятилетий выдвигалось немало теорий, объясняющих эффект Мпембы. Наиболее вероятные из них были озвучены в 2013 году на торжественном мероприятии, проведённом Королевским химическим обществом Великобритании. Профессиональная ассоциация изучила 22 000 (!) мнений и выделила среди них лишь одно, принадлежащее Николе Бреговичу (Nikola Bregović).
Хорватский химик указал на важность процессов конвекции и переохлаждения жидкости при её замерзании.
Вот как эти явления описаны в «Википедии»:
- Холодная вода начинает замерзать сверху, замедляя тем самым процессы теплового излучения и конвекции, а значит, и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.
- Переохлаждённая жидкость - жидкость, имеющая температуру ниже температуры кристаллизации при данном давлении. Переохлаждённая жидкость получается из обычной путём охлаждения при отсутствии центров кристаллизации.
Всемирное и чек на 1 000 фунтов стали хорошим вознаграждением. К слову, победителя приветствовали Эрасто Мпемба и Денис Осборн.
scienceblogs.comКакой должна быть температура воды перед заморозкой
На этот вопрос однозначного ответа всё же нет. Королевское химическое общество хоть и определилось, но не прекратило споры окончательно. До сих пор выдвигаются новые гипотезы и звучат опровержения.
Хотя есть небольшая зацепка: научно-популярный журнал New Scientist провёл исследования и пришёл к выводу, что наилучшие условия для повторения эффекта Мпембы - две ёмкости воды с температурой 35 и 5 °C.
Таким образом, если до вечеринки осталось совсем немного времени, залейте в воду, температура которой сравнима с комнатной температурой жарким летом. Колодезную или прохладную водопроводную воду лучше не использовать.
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...
В 1963 году один из учеников школы в Танзании по имени Эрасто Мпемба заметил, что если взять две емкости с одинаковым количеством молока, в одной из которых молоко будет комнатной температуры, а в другой – горячим, то горячее молоко застынет в морозилке гораздо быстрее, чем холодное. Тогда он провел тот же эксперимент с водой, и получил точно такой же результат. Учитель физики, к которому Мпемба обратился за разъяснениями, лишь посмеялся в ответ.
Но пытливый ум не давал Мпембе покоя, и этот вопрос он задал профессору Деннису Осборну, приглашенному из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе для чтения лекции по физике. Осборну вопрос показался интересным, и в 1969 году он совместно со своим учеником опубликовали статью о результатах своих экспериментов в журнале «Physics Education». С момента публикации этот эффект стали называть эффектом Мпембы.
На самом деле, этот эффект известен с давних времен: Аристотель, Ф.Бэкон, Р.Декарт интересовались им.
Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон сформулировал И.Ньютон, и с того времени он много раз подтверждался на практике. А в данном случае кипящая вода, нагретая до 100 град. С охлаждается до 0 град С быстрее, чем такое же количество воды с температурой, например, 35 град. С, хотя во время охлаждения, кипящая вода должна пройти “порог” в 35 град С.
Вот некоторые из предположений, которые выдвигают ученые:
- Горячая вода во время охлаждения активно испаряется, при этом ее объем уменьшается, соответственно, меньший объем воды охлаждается быстрее. К тому же, из-за испарения, температура воды снижается быстрее.
- Разница температур между горячей водой и воздухом больше, а значит, теплообмен происходит с большей интенсивностью, это приводит к тому, что горячая вода застывает быстрее.
- На поверхности холодной воды образуется слой льда, который не только препятствует испарению воды, но и выступает своеобразной “подушкой”, защищающей основную массу воды от охлаждения. А горячая вода не имеет льда на поверхности, поэтому процесс испарения и охлаждения продолжается дольше, потери тепла происходят быстрее, и в результате горячая вода превращается в лед раньше.
- В горячей воде водородные связи натягиваются сильнее, чем в холодной. Поскольку в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, значит, её высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. Это и объясняет, почему горячая вода застывает быстрее.
Водородные связи O:H-O в кристалле льда
В старой доброй формуле H2O, казалось бы, не заключено никаких тайн. Но на самом деле вода - источник жизни и самая известная жидкость в мире - таит в себе множество загадок, неподвластных даже ученым. Пять самых известных “странностей” воды - перед вами.
1. Горячая вода замерзает быстрее холодной
Возьмем две емкости с водой: в один нальем горячую, а в другой — холодную воду. Поместим их в морозильную камеру. Емкость с горячей водой замерзнет быстрее, чем с холодной, хотя по логике вещей, первой должна была превратиться в лед емкость с холодной водой: ведь горячей надо сначала остыть до температуры холодной, а потом уже превращаться в лед, а холодной остывать не надо. Почему же так происходит?
В 1963 году ученик старших классов Эрасто Б. Мпемба заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Учитель физики, с которым юноша поделился открытием, поднял его на смех. К счастью, ученик оказался настырным и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его правоту. Теперь феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название “эффект Мпемба”. Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его разницей в переохлаждении, испарении, формировании льда и т.д.
2. “Сверхохлаждение” предотвращает формирование льда
Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении ее до нуля градусов по Цельсию… за исключением тех случаев, когда этого не происходит! “Сверхохлаждение” - это склонность воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания. Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. Именно поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как “сверхохлажденная” вода в одно мгновение превращается в лед. Убедитесь сами — смотрите ролик на нашем сайте.
3. “Стекловидная” вода
Быстро, не задумываясь, скажите, сколько различных состояний есть у воды? Вы сказали, три? Твердое, жидкое, газообразное? А вот и нет. Ученые выделяют как минимум 5 состояний “жидкой” воды и 14 состояний льда. Помните разговор про сверхохлажденню воду? Так вот, что бы вы ни делали, при температуре -38 °C самая сверхохлажденная вода внезапно превратится в лед. А ВТО же произойдет при дальнейшем понижении температуры? При -120 °C лед становится тягучим, как патока, а при -135 °C и ниже он превращается в “стеклянную” или “стекловидную” воду - твердое вещество с отсутствием кристаллов.
4. Квантовое число воды
На молекулярном уровне воде есть чем удивить ученых. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: было обнаружено, что нейтроны, направленные на молекулы воды, “видят” на 25% меньше протонов водорода. Оказалось, что на скорости одной аттосекунды (10 в минус 18 степени секунд) имеет место необычный квантовый эффект, и химическая формула воды из привычной Н2О превращается в Н1,5О!
Что такое одна аттосекунда, спросите вы? Это время, за которое свет проходит расстояние, сравнимое с размерами молекулы воды.
5. Есть ли у воды память?
Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что слабый раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм и сохранить свойства раствора первоначальной концентрации, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не остается ничего, кроме молекул воды. Приверженцы гомеопатии как метода лечения объясняют этот парадокс коцепцией под названием “память воды”. В 2002 году международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис из Королевского университета в Белфасте, ранее критиковавшая принципы гомеопатии, заявила о том, что ей удалось доказать реальность эффекта “памяти воды” Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Дискуссия о феномене “памяти воды” продолжается.
