Какая вода замерзает быстрее

Во времена моего советского детства в Москве едва ли не в каждом дворе были самодеятельные катки. Мужчины из соседних домов расчищали площадку, а потом, когда ударяли морозы, вытягивали из ближайшего окна первого этажа шланг, пускали по нему горячую воду и заливали каток.

Почему горячей? Да потому что быстрее и ровнее застывает. Так говорили все — как о само собой разумеющемся. Лед и правда был гладкий и схватывался быстро. Но почему же горячая вода замерзает быстрее холодной? Это же не логично?!

О том, что есть такой странный эффект быстрого замерзания горячей воды, ученые заговорили в середине 60-х годов. Этот эффект назвали именем танзанийского школьника Эрасто Мпембы, который его и открыл. История известная. Тринадцатилетний школьник вместе с одноклассниками на практикуме по кулинарии делал мороженое.

Он растворил сахар в горячем молоке и поставил в холодильник, забыв, что прежде надо было бы молоко остудить. Но оказалось, что его молоко замерзло быстрее, чем у его одноклассников, хотя они-то все сделали правильно.

Эрасто поделился своим открытием с учителем, но тот отшутился. Однако Мпембе оказался твердым орешком, упорным. Именно таким место в науке. Он продолжил успешно экспериментировать с горячей и холодной водой.

И когда в школу приехал университетский профессор Дэнис Осборн, чтобы почитать старшеклассникам лекцию по физике, Мпембе задал ему тот же вопрос — почему горячая воды замерзает быстрее? Чем, надо сказать, поставил профессора в тупик.

Но профессор Осборн оказался настоящим ученым и немедленно проверил наблюдения школьника в собственном эксперименте. И несказанно удивился — наблюдаемое противоречило здравому смыслу.

Профессор Осборн оказался еще и приличным ученым, поскольку опубликовал научную статью про необычный эффект вместе со школьником, его открывателем. Так в науку вошел эффект Мпембе. Говорят, что о нем знали еще во времена Аристотеля и Декарта. Но поди — проверь!

Эффект — эффектом, однако наука должна отвечать на вопросы. В данном случае — почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Существует много разных гипотез. Кто-то считает, что горячая вода быстрее охлаждается за счет ее испарения с поверхности, а этот процесс происходит с поглощением тепла. Да к тому же при испарении объем воды уменьшается, а меньший объем замерзает быстрее.

Кто-то полагает, что все дело в газах, всегда растворенных в воде, которые мешают воде замерзать. А вот в горячей воде их сильно меньше. А кто-то и вовсе уверен, что никакого эффекта Мпембе нет, а есть только некорректно поставленный эксперимент. В общем — объяснений много, но единого мнения нет.

И вот свежая гипотеза пришла недавно из Технологического университета Наньян в Сингапуре. Как выяснили китайские химики, секрет кроется в количестве энергии, запасенной в водородных связях между молекулами воды. Таким образом, оказывается, что в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, а значит, ее высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. По этой причине застывание происходит быстрее.

Почему горячая вода замерзает быстрее чем холодная? Эффект Мпембы

Как вам такая версия? Мне, если честно, не очень. Но вообще, вода — самое необыкновенное, самое загадочное вещество на Земле, состоящее сплошь из аномалий. Так всегда говорил академик И.В. Петрянов-Соколов, создатель и бессменный главный редактор нашего журнала. Соответственно — и у льда много сюрпризов.

Вот, например, вода, превращаясь в лед, увеличивает свой объем примерно на 9%. Поэтому бутылку, заполненную водой под самое горлышко и положенную в морозилку, обязательно разорвет. Кстати, по этой же причине сливают воду из труб на летних дачах на зиму, иначе лед может разорвать и трубы.

Если вода при замерзании расширяется, то, значит, плотность льда меньше, чем у воды, и он должен быть легче воды. Так и есть. Природа придумала это не случайно. Зимой лед образуется на поверхности водоемов, поскольку он легче. Этот ледяной щит не дает воде на глубине охлаждаться и замерзать. Поэтому водные обитатели выживают в холода.

А вообще-то существует более двух десятков модификаций льда, аморфных и кристаллических. У самого обычного льда, который образуется в природе, — гексагональная структура. Молекулы воды при охлаждении выстраиваются в шестиугольники, которые соединяются и образуют ажурную структуру.

Но есть и другие виды льда, у которых структура совсем другая, а потому — и свойства другие. Есть лед с явно выраженными магнитными свойствами, есть лед, хорошо проводящий электрический ток. Разные модификации получаются в зависимости от условий кристаллизации — температуры и давления. Бытие определяет структуру.

Кстати, в том же 1963 году появился роман Курта Воннегута «Колыбель для кошки». Он был модный много лет, все его читали. Сюжет строится вокруг вещества, именуемого лед-9. Это искусственный материал, страшно опасный для жизни. Дело в том, что вода при контакте с ним, превращается в лед-9. Попади он в Мировой океан, планета превратится в ледышку. В конце концов, так все и происходит.

Среди модификаций льда, открытых учеными, есть и лед-9. Но ничего общего с воннегутовским он не имеет. Просто у него тетрагональная структура. А вот обычного льда на Земле много — около 30 млн км³. В основном он сосредоточен в полярных шапках, прежде всего — в Антарктиде. Здесь толщина льда достигает 4 км.

В общем, лед — уникальный природный материал, и было бы странно, если бы никто не захотел его использовать. В 1942 году, в разгар Второй мировой войны, англичанин Джеффри Натаниэль Пайк, журналист, разведчик и по совместительству изобретатель, предложил сделать плавучую авиабазу для самолетов, которые будут бомбить суда и подводные лодки немцев.

Причем сделать этот плавучий остров он предложил изо льда, армированного древесными опилками. Материал не тонул, был невероятно прочный, и изготавливать его было легко. Древесную пульпу смешивают с водой (15% и 85%), заливают в формы и замораживают. В общем — обычное литье. Получался материал, который легко поддавался обработке. И таял гораздо медленнее. Медленнее, чем айсберг. Его назвали «пайкрит» в честь изобретателя.

Лорд Луи Маунтбеттен, адмирал флота, навестил Уинстона Черчилля в его доме и представил ему новый материал прямо в ванной премьер-министра. Твердый монолитный брусок не тонул. Наблюдая за изумлением премьер-министра, лорд Маунтбеттен тут же предложил ему проект плавучей военной авиабазы «Аввакум».

Черчилль одобрил проект. Дело оставалось за малым — убедить американцев финансировать этот проект. Лорд Маунтбеттен поехал в США и на военном совете с союзниками положил на столь два куска льда — обычного и пайкрита. Потом достал револьвер и на глазах изумленной публики выстрелил в обычный лед. Тот разлетелся. Потом выстрелил в пайкрит. Пуля отскочила от прочного материала и зацепила ногу генерала Кинга. Все были в шоке. Но генерал был не в претензии, а в восхищении. Вопрос был решен.

В Канаде, на озере Патриция, совместными усилиями стали возводить прототип «Аввакума». Но вскоре возникли трудности, и прежде всего — с финансированием. Время было тяжелое, деньги требовались для другого. Проект «Аввакум» не состоялся, и модель плавучей авиабазы размером 18х9 м при высоте 6 м и весе больше 1000 тонн, осталась на приколе в этом озере. Она полностью растаяла только лишь через три года. При этом, замечу, что три года она стояла без всякого охлаждения.

Про лед как строительный материал не забыли. Ледяные скульптуры, ледяные бары, ледяные отели и много чего еще. Но это все так мелко на фоне «Аввакума» водоизмещением 1 млн 800 тысяч тонн, размером 600 х 90 м, высотой 60 м, толщиной днища и бортов 12 м, на котором могли уместиться 200 истребителей или 100 бомбардировщиков. Нет сегодня таких масштабных проектов, увы.

Эффект Мпембы

Вернувшись в университет, профессор Денис Осборн попросил лаборанта сравнить скорость застывания горячей и холодной воды. Тот провел эксперимент и подтвердил, что горячая вода замерзла быстрее, но сказал, что будет повторять эксперимент, пока не получит «правильный результат». Однако каждый раз у него получалось одно и то же.

В итоге в 1969 году Денис Осборн вместе с 19-летним Эрасто Мпембой, который уже учился на первом курсе в колледже управления африканской дикой природой, опубликовал статью в журнале «Физическое образование», в которой рассказывалось об истории открытия феномена и приводились результаты опытов.

Авторы признались, что не смогли объяснить природу этого контринтуитивного термодинамического процесса

Когда физики прочли материал и начали изучать этот вопрос, оказалось, что Эрасто Мпемба вовсе не был первым человеком, который заметил, что горячая вода замерзает быстрее холодной. В 2006 году в Американском журнале физики вышла статья Дженг Монхеа «Эффект Мпембы: когда горячая вода может замерзать быстрее холодной?», в которой приводились цитаты Аристотеля, Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта, которые описывали данный эффект. Но почему-то никто на протяжении столетий не замечал этих наблюдений и не пытался провести собственный эксперимент. Как и школьные учителя Эрасто, ученые предпочитали игнорировать то, что не вписывалось в привычную концепцию.

Дженг Монхеа также проанализировала эксперименты других ученых и рассказала про основные гипотезы, которые они проверяли:

1. Таяние инея

Горячая вода вызывает таяние инея в морозильной камере. Соответственно, под стаканом с горячей водой слой инея на дне камеры тает, улучшая ее теплопроводность. А это в свою очередь ускоряет процесс заморозки.

Это была хорошая версия, но она распалась, когда ученые поместили воду в теплоизолированные контейнеры, но по-прежнему наблюдали в них эффект Мпембы.

2. Испарение

Еще одна гипотеза сводилась к тому, что горячая вода теряет массу из-за испарения, поэтому для ее охлаждения требуется меньше энергии и процесс заморозки проходит быстрее. Но в ходе экспериментов ученые пришли к выводу, что количества массы, которое вода теряет из-за испарения (менее 3%), недостаточно, чтобы объяснить такую разницу в скорости замерзания. А один ученый наблюдал эффект Мпембы даже в закрытом контейнере, что исключило испарение воды из уравнения.

3. Содержание газов

4. Переохлаждение

Жидкости замерзают неоднородно. Если мы поставим в морозильную камеру воду, температура которой составляет 70 °C, и подождем, пока она опустится до 30 °C, мы увидим, что на поверхности она будет немного выше 30 °C, а на дне — ниже 30 °C. Это принцип конвекции в жидкостях, который изучают в средней школе.

Поскольку в горячей жидкости конвекция выше, циркуляция холодных и теплых потоков происходит быстрее, ускоряя распространение кристаллов льда. А холодная вода начинает замерзать сверху и тем самым замедляет процессы теплового излучения и конвекции.

Казалось бы, ответ найден. Но интенсивность конвекции во многом зависит от формы и размера контейнера для жидкости и параметров самой морозильной камеры, поэтому ученым ни разу не удалось в точности воспроизвести один и тот же эксперимент, каждый раз они получали разные данные и не смогли прийти к какому-то однозначному выводу.

Современные теории

В 2012 году Королевское химическое общество назначило премию в размере 1000 фунтов за лучшее объяснение эффекта Мпембы. Ассоциация получила 22 000 статей, но ни одна из них не давала окончательного ответа на вопрос. В итоге победителем был объявлен Никола Брегович из Университета Загреба в Хорватии, который собрал и описал все основные теории, существующие на тот момент.

В 2017 году ученые из Китая и США опубликовали гипотезу о том, что виной всему водородные связи. По мере нагревания водородные связи ослабевают и молекулы воды в кластерах меняют положение, занимая такие позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда. Холодной же воде требуется больше энергии на распад водородных связей, соответственно, замерзание происходит медленнее.

Поскольку процесс замерзания воды зависит от большого количества факторов и четко нигде не обозначено, что считать замерзанием, изучать эффект Мпембы очень непросто.

Ряд физиков даже поставили под сомнение само существование эффекта после тщательного экспериментального анализа — в своей статье ученые описали, что каждый раз приходили к настолько разным результатам, что не могут утверждать, что наблюдали какой-то один эффект.

Однако другие ученые наблюдали эффект Мпембы не только в воде, но и в резонаторах из углеродных нанотрубок, спиновых стеклах и гранулированных жидкостях.

Эффект Мпембы — процесс, в ходе которого термодинамическая система выходит из равновесия: горячая вода в холодильнике меняет внешние условия и возникает новая область параметров. Эффект Мпебы не единственный подобный процесс. Существует целый раздел «Неравновесная термодинамика», изучающий термоэлектрические, гальваномагнитные, термомагнитные и другие явления. Последние исследования эффекта Мпембы как раз проводили ученые, специализирующиеся на неравновесных системах.

Эрасто Мпемба ушел из жизни, не узнав ответ на свой вопрос. И хотя эффект носит его имя, Эрасто не стал связывать свою жизнь с физикой. Всю жизнь он проработал главным охотничьим инспектором Министерства природных ресурсов и туризма Танзании.

Фото на обложке: Alexander_IV / Shutterstock / Fotodom

Новое объяснение эффекта (теперь-то уж точно правильное)

Сегодня Зи Чанг из Наньянгского технологического университета Сингапура и несколько его коллег предоставили таковое. Эти ребята утверждают, что эффект Мпембы является результатом уникальных свойств различных типов связи, удерживающих молекулы воды вместе.

Так что же такого в этих связях? Каждая молекула воды состоит из сравнительно большого атома кислорода, соединенного с двумя маленькими атомами водорода обычной ковалентной связью. Но если поместить рядом несколько молекулы воды, то водородные связи тоже начнут играть важную роль. Это происходит из-за того, что атомы водорода одной молекулы располагаются вблизи кислорода другой молекулы, и взаимодействуют с ним. Водородные связи намного слабее ковалентных (прим. пер. ~ в 10 раз), но сильнее чем Ван-дер-Ваальсовы силы, которые использует геккон для прилипания к вертикальным стенам.

Химики давно знают о важности этих связей. Например, точка кипения воды намного выше, чем у других жидкостей с похожими молекулами, из-за того, что водородные связи удерживают молекулы вместе.

Но в последние годы химики все более интересуются другими ролями, которые могут играть водородные связи. Например, молекулы воды в тонких капиллярах формируют длинные цепочки, удерживаемые водородными связями. Это очень важно для растений, у которых испарение воды через мембраны листьев эффективно протаскивает цепь молекул воды от корней вверх.

Теперь Зи с соавторами утверждают, что водородные связи так же объясняют эффект Мпембы. Их ключевая идея состоит в том, что водородные связи приводят к более плотному контакту молекул воды, и когда это происходит, естественное отталкивание между молекулами приводит к сжатию ковалентных связей и накоплению энергии в них.

Однако, когда жидкость нагревается, расстояние между молекулами увеличивается, а водородные связи растягиваются. Это также позволяет увеличить длину ковалентных связей и таким образом- отдать обратно энергию, накопленную в них. Важным элементом теории является тот факт, что процесс, при котором ковалентные связи отдают накопленную в них энергию- эквивалентен охлаждению!

В действительности- этот эффект усиливает обычный процесс охлаждения. Таким образом, горячая вода должна охлаждаться быстрее холодной, рассуждают авторы. И это именно то, что мы наблюдаем в эффекте Мпембы.

Почему новое объяснение лучше предыдущих?

Эти ребята рассчитали величину дополнительного охлаждения, и показали, что она в точности соответствует наблюдаемой разнице в экспериментах по измерению разности скоростей охлаждения горячей и холодной воды. Вуаля! Это интересный взгляд на сложные и загадочные свойства воды, которые все еще заставляют химиков не спать по ночам. Несмотря на то, что идея Зи и соавторов убедительна, она может оказаться очередной ошибкой теоретиков, которую другие физики должны будут опровергнуть. Это оттого, что теории не хватает прогностической силы (по крайней мере- в оригинальной статье).

Зи и соавторам необходимо воспользоваться своей теорией для предсказания новых свойств воды, которые не выводятся из обычных рассуждений. Например, если ковалентные связи укорачиваются- это должно приводить к возникновению каких-то новых измеряемых свойств воды, которые не должны были бы проявляться в противном случае. Открытие и измерение таких свойств было бы последней вишенкой на торте, которой не хватает теории в ее текущем виде.

Итак, несмотря на то, что парни, возможно, неплохо объяснили эффект Мпембы, им необходимо чуток поднапрячься, чтобы убедить в этом остальных.

Как бы то ни было, теория у них интересная.

P.S. в 2016 один из соавторов — Чанг Солнце (Chang Q. Sun) совместно с Йи Солнцем (Yi Sun) опубликовали более полное изложение предложенной теории, с рассмотрением поверхностных эффектов, конвекции, диффузии, излучения и других факторов- и вроде бы наблюдают хорошее согласие с экспериментом (Springer).

Литература

Почему горячая вода замерзает быстрее? Эффект Мпембы

Эрасто Мпемба, профессор Денис Осборн и… охлажденная вода

Например, вопрос о том, почему чайник шумит при закипании, приводит, в конце концов, к такой серьезной инженерной проблеме, как кавитация. Уменьшение кавитации, происходящей на винтах судов или на лопатках турбин, повышает срок службы этих устройств и делает их работу эффективной.

С другой стороны, в некоторых случаях кавитацию стараются повысить — например, при ультразвуковой чистке деталей или при разбивании камней в почках. Или при ультразвуковом же растворении жира в теле, что является мечтой едва ли не каждой женщины.

«Детские» вопросы хороши еще тем, что заражают серьезных ученых «вирусом» любопытства. Любопытство — одна из причин, побуждающих их к научной деятельности. Любопытство — фермент, оживляющий бег мысли. Без любопытства господин профессор превращается в бронзовый памятник, с любопытством — бегает непослушным мальчишкой, смеется и щупает то, что, казалось бы, трогать руками строго запрещено. Иногда такое поведение может привести к открытию, иногда — нет. Но всегда прививка любопытства ужасно приятна господину профессору.

Заливать каток лучше горячей водой, быстрее застынет

Это событие произошло давным-давно, в 1963 году, в далекой африканской стране Танганьике, которая через год объединилась с Занзибаром и стала называться Танзанией. Школьник Эрасто Мпемба выполнял задание по кулинарии (были в их школе такие уроки). Надо было приготовить молочное мороженое: смешать на огне молоко, воду и сахар, остудить и поставить в холодильник, чтобы получить ледышку. Один из стаканчиков с приготовленной смесью Мпемба поставил в холодильник, не охладив как следует. К его удивлению, именно этот стаканчик замерз и превратился в мороженое первым.

Горячая жидкость остыла быстрее холодной? Это кажется невероятным! Строго говоря, это нарушение фундаментального закона термодинамики за номером 1!

Не удивительно, что учитель физики, которому Эрасто рассказал о своем парадоксальном эксперименте, поднял его на смех. Но школьник был упрям и памятлив. Когда в их школу пригласили из столичного университета профессора физики Дениса Осборна (Denis G. Osborne), чтобы он прочитал лекцию школьникам, мальчик рассказал новому преподавателю о своем нетривиальном эксперименте.

Осборну самому стало любопытно. Вернувшись в университет, он поставил несколько экспериментов и обнаружил, что Эрасто Мпемба прав: горячая вода замерзала быстрее холодной. Результаты своих исследований он опубликовал в 1969 году. Автором статьи был также Эрасто Мпемба, который тогда уже учился в одном из местных колледжей.

В жаркой Африке никто не заливал зимой дворовых катков для юных конькобежцев и хоккеистов. Потому и не знали здесь о маленькой хитрости, известной в далекой России: каток надо заливать горячей водой — быстрее застынет. Еще одно проявление «эффекта Мпембы» !

Так танзанийский школьник стал известен еще до того, как закончил школу. Ученые же физики продолжали исследовать странное поведение горячей воды при нагревании. И продолжают. Дело в том, что до сих пор нет объяснения эффекта Мпембы, которое удовлетворило бы всех ученых.

Простая на вид задача оказалась недостаточно четко сформулированной. Во-первых, что такое «точка замерзания воды»? Во-вторых, можно ли сказать, что холодная и горячая вода отличаются только начальной температурой? Может быть, есть и другие физические отличия, которые коррелируют с температурой воды и как раз и определяют, какая из жидкостей, горячая или холодная, застынет быстрее?

В общем, сейчас существует несколько объяснений странного поведения нагретой воды при замерзании:

1. Горячая вода испаряется интенсивнее, чем холодная. Испаряющаяся вода в холодном воздухе превращается в мелкие кристаллики льда, которые падают в сосуд с водой и по мере охлаждения воды становятся зародышами будущих льдинок.

2. Или же испарение горячей воды уменьшает общий объем воды в сосуде. Меньшее количество воды остывает быстрее.

3. Еще одно объяснение опирается на то, что в горячей воде меньше центров последующей кристаллизации, воздушных пузырьков или пылинок. В результате этого горячая вода при охлаждении некоторое время не замерзает, переохлаждается, а затем застывает очень быстро, почти мгновенно.

4. В горячей воде расстояние между молекулами становится больше, поскольку кинетическая энергия каждой молекулы вырастает. В результате этого потенциальная энергия связи между двумя молекулами тоже возрастает. При охлаждении воды, когда молекулы сближаются, запасенная энергия высвобождается и выделяется в пространство, вызывая дополнительное охлаждение.

 Горячая вода испаряется интенсивнее, чем холодная, пар быстрее превращается в лёд

5. И точка зрения прямо противоположная. По мере нагревания связи между молекулами воды ослабевают, и они занимают позиции, более близкие к тем, в которых находятся, когда образуются кристаллы льда. Когда температура воды достигает точки кристаллизации, дополнительной энергии на разрыв прежних связей уже не требуется и лед образуется быстрее. Если же до температуры кристаллизации остывает холодная вода, требуется некоторое время и некоторая энергия для того, чтобы разорвать прежние связи.

6. Наконец, есть и такое мнение: эффект Мпембы — псевдоэффект. Если провести эксперимент так, чтобы устранить все посторонние влияния (одинаковые объемы воды, один ее химический и физический состав, одинаковые материалы сосудов, в которых происходит охлаждение, специальный холодильник), то более горячая вода будет застывать позже, чем более холодная. Первое начало термодинамики спасено! Ура!

А что же наиболее интересно в эффекте Мпембы для нас? Да то, что любопытство — движущая сила любого знания. А также то, что не следует стесняться задавать «детские» вопросы, на которые, бывает, и умные ученые не смогут дать однозначного и простого ответа. Поскольку, по словам Эйнштейна, вынесенным в эпиграф, и сами недостаточно четко понимают природу некоторых, казалось бы, простых веществ. Таких, как, например, обычная вода.

Как горячая вода может замерзнуть быстрее холодной

Как горячая вода может замерзнуть быстрее холодной

Иногда горячая вода может замерзнуть быстрее холодной. Новый эксперимент, проведенный с использованием крошечных стеклянных бусин, может помочь объяснить почему, — пишет sciencenews.org со ссылкой на Nature.

Новое исследование показало, что горячий предмет может остывать быстрее, чем холодный. При охлаждении более теплая система достигла низкой температуры за меньшее время, чем более холодная система.

Эксперимент был вдохновлен сообщениями об эффекте Мпемба — парадоксальном наблюдении, что горячая вода иногда замерзает быстрее, чем холодная. Но эксперименты, изучающие это явление, были запутаны из-за сложности устройства воды и процесса замерзания, что затрудняло воспроизведение результатов и заставляло ученых не соглашаться по поводу того, что именно вызывает эффект, как его определить и действительно ли он существует.

Чтобы обойти эти сложности, Авинаш Кумар и Джон Бечхофер из Университета Саймона Фрейзера в Бернаби (Канада) использовали крошечные стеклянные бусины диаметром 1,5 микрометра вместо воды.

«Это первый случай, когда эксперимент может быть заявлен как чистый, идеально контролируемый эксперимент, который демонстрирует этот эффект», — говорит химик-теоретик Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле.

В эксперименте шарик представлял собой эквивалент одной молекулы воды, и измерения были выполнены 1000 раз при заданном наборе условий для получения набора «молекул». Лазер воздействовал на каждую бусину, создавая энергетический ландшафт или потенциал. Тем временем шарик охлаждали на водяной бане. Эффективная «температура» бусинок из объединенных испытаний может быть получена из того, как они пересекают энергетический ландшафт, перемещаясь в ответ на силы, передаваемые лазером.

Чтобы изучить, как система охлаждалась, исследователи отслеживали изменения температуры бусинок во времени. Изначально они были высокой или умеренной температуры, и исследователи измеряли, сколько времени нужно, чтобы шарики остыли до температуры воды. При определенных условиях шарики, которые вначале были более горячими, охлаждались быстрее, а иногда и экспоненциально быстрее, чем более холодные шарики. В одном случае более горячие шарики охлаждались примерно за две миллисекунды, в то время как более холодные шарики охлаждались в 10 раз дольше.

Может показаться разумным предположить, что более низкая начальная температура обеспечит непреодолимую фору. В простой гонке по термометру горячий объект должен сначала достичь исходной температуры теплого объекта – кажется, что более высокая температура может только увеличить время охлаждения.

Но в некоторых случаях эта простая логика неверна, особенно для систем, которые не находятся в состоянии теплового равновесия (когда все части достигли одинаковой температуры). Для такой системы «ее поведение больше не определяется только температурой», — говорит Беххофер. Поведение материала слишком сложно, чтобы его можно было описать одним числом. По мере охлаждения шарики не находились в тепловом равновесии, а это означало, что их положения в ландшафте потенциальной энергии не были распределены таким образом, чтобы их можно было описать с помощью одной температуры.

Для таких систем, вместо прямого пути от горячего к холодному, может быть несколько путей к холодности, что позволяет сократить возможные пути. Для бусинок, в зависимости от формы ландшафта, начало с более высокой температуры означало, что им было легче перестроиться в конфигурацию, соответствующую более низкой температуре. Это похоже на то, как турист может быстрее добраться до места назначения, начав дальше, если отправная точка позволяет ему избежать трудного подъема на гору.

Лу и физик Орен Раз ранее предсказывали, что такие короткие пути охлаждения возможны. «Приятно видеть, что это действительно работает, — говорит Раз из Института науки Вейцмана в Реховоте (Израиль). Но, отмечает он, «мы не знаем, сработает ли это в воде или нет».

Сложности с водой могут быть связаны с наличием примесей, испарением и возможностью переохлаждения, когда вода остается жидкой при температуре ниже нормальной температуры замерзания.

Простота исследования — часть его красоты, — заметила физик-теоретик Мария Вучелья из Университета Вирджинии в Шарлоттсвилле. «Это одна из очень простых схем, и она уже достаточно богата, чтобы продемонстрировать этот эффект». Это говорит о том, что эффект Мпембы может выходить за рамки стеклянных бусин или воды. «Я могу предположить, что этот эффект в природе проявляется довольно часто в других местах, просто мы не обращали на него внимания».

Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная?

Это один из великих парадоксов науки: горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Но почему так происходит? Реальность такова, что научное сообщество все еще бьется над тем, чтобы попытаться объяснить это.

Идея о том, что горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная, кажется совершенно нелогичной. Тем не менее это явление наблюдалось много раз. Поэтому можно с полным основанием спросить, каковы физические принципы, которые приводят к такому результату.

Прежде всего, вы должны знать, что у этого странного явления есть название. Ученые называют его эффектом Мпембы, в честь танзанийского студента, который сообщил, что испытал его в 1960-х годах. Однако еще в трудах Аристотеля есть свидетельства того, что горячая вода замерзает быстрее холодной — по всей видимости, с явным нарушением законов термодинамики. Однако ученые, заинтересовавшиеся этим явлением, сталкиваются с трудностями при создании экспериментальных условий, позволяющих запустить это явление. И поэтому трудно изучать его серьезно.

Некоторые отмечают, что утверждение — «горячая вода замерзает быстрее холодной» — достаточно расплывчато, чтобы дать повод для самых разных фантазий. Действительно, в зависимости от количества энергии, затрачиваемой на охлаждение воды ниже точки ее застывания, можно легко прийти к выводу, что эффект Мпембы реален.

Несколько гипотез относительно эффекта Мпембы

Однако в гипотезах, объясняющих это странное явление, недостатка нет. Простейшим из них было бы то, что испарение, которому подвергается объем горячей воды, является причиной уменьшения массы этой воды по сравнению с массой холодной воды. Этого было бы достаточно, чтобы обмануть его мир. Также было исследовано переохлаждение. Это явление позволяет воде оставаться жидкой при температуре ниже 0 °C. Поскольку горячая вода менее чувствительна к нему, может показаться, что она замерзает быстрее, чем холодная.

В 2012 году Королевское химическое общество (Великобритания) объявило конкурс, приглашая исследователей серьезно взглянуть на эту проблему. Победитель конкурса, хорватский аспирант, пришел к выводу, что конвекция является наиболее правдоподобным объяснением эффекта Мпембы. Поместите емкость с горячей водой в холодную среду, и действительно возникнут движения, которые перенесут тепло путем конвекции и позволят воде быстрее остыть. На самом деле, все эксперименты показывают, что этот эффект сходит на нет, если воду регулярно перемешивать в процессе охлаждения, прерывая конвекционные движения.

Однако тайна до сих пор кажется не до конца раскрытой. Ученые продолжают выдвигать гипотезы, порой несколько экзотические. А другие даже предполагают, что эффекта Мпембы вообще не существует.

Примеси в составе воды как фактор, влияющий на исход

какая вода замерзает быстрее холодная или горячая что влияет

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.

 какая вода замерзает быстрее холодная или горячая на улице в мороз

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, молекула воды 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.

какая вода быстрее замерзает горячая или холодная

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 водородные связи, 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.

 какая вода замерзает быстрее холодная или горячая на улице в мороз

Почему горячая вода иногда замерзает быстрее холодной

Почему горячая вода иногда замерзает быстрее холодной

Иногда горячая вода может замерзнуть быстрее холодной. Новый эксперимент, проведенный с использованием крошечных стеклянных бусин, может помочь объяснить почему, — пишет sciencenews.org со ссылкой на Nature.

Новое исследование показало, что горячий предмет может остывать быстрее, чем холодный. При охлаждении более теплая система достигла низкой температуры за меньшее время, чем более холодная система.

Эксперимент был вдохновлен сообщениями об эффекте Мпембы — парадоксальном наблюдении, что горячая вода иногда замерзает быстрее, чем холодная. Но эксперименты, изучающие это явление, были запутаны из-за сложности устройства воды и процесса замерзания, что затрудняло воспроизведение результатов и заставляло ученых не соглашаться по поводу того, что именно вызывает эффект, как его определить и действительно ли он существует.

Чтобы обойти эти сложности, Авинаш Кумар и Джон Бечхофер из Университета Саймона Фрейзера в Бернаби (Канада) использовали крошечные стеклянные бусины диаметром 1,5 микрометра вместо воды.

Это первый случай, когда эксперимент может быть заявлен как чистый, идеально контролируемый эксперимент, который демонстрирует этот эффект.

— говорит химик-теоретик Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле.

В эксперименте шарик представлял собой эквивалент одной молекулы воды, и измерения были выполнены 1000 раз при заданном наборе условий для получения набора «молекул». Лазер воздействовал на каждую бусину, создавая энергетический ландшафт или потенциал. Тем временем шарик охлаждали на водяной бане. Эффективная «температура» бусинок из объединенных испытаний может быть получена из того, как они пересекают энергетический ландшафт, перемещаясь в ответ на силы, передаваемые лазером.

Чтобы изучить, как система охлаждалась, исследователи отслеживали изменения температуры бусинок во времени. Изначально они были высокой или умеренной температуры, и исследователи измеряли, сколько времени нужно, чтобы шарики остыли до температуры воды. При определенных условиях шарики, которые вначале были более горячими, охлаждались быстрее, а иногда и экспоненциально быстрее, чем более холодные шарики. В одном случае более горячие шарики охлаждались примерно за две миллисекунды, в то время как более холодные шарики охлаждались в 10 раз дольше.

Может показаться разумным предположить, что более низкая начальная температура обеспечит непреодолимую фору. В простой гонке по термометру горячий объект должен сначала достичь исходной температуры теплого объекта – кажется, что более высокая температура может только увеличить время охлаждения.

Но в некоторых случаях эта простая логика неверна, особенно для систем, которые не находятся в состоянии теплового равновесия (когда все части достигли одинаковой температуры). Для такой системы «ее поведение больше не определяется только температурой», — говорит Беххофер. Поведение материала слишком сложно, чтобы его можно было описать одним числом. По мере охлаждения шарики не находились в тепловом равновесии, а это означало, что их положения в ландшафте потенциальной энергии не были распределены таким образом, чтобы их можно было описать с помощью одной температуры.

Для таких систем, вместо прямого пути от горячего к холодному, может быть несколько путей к холодности, что позволяет сократить возможные пути. Для бусинок, в зависимости от формы ландшафта, начало с более высокой температуры означало, что им было легче перестроиться в конфигурацию, соответствующую более низкой температуре. Это похоже на то, как турист может быстрее добраться до места назначения, начав дальше, если отправная точка позволяет ему избежать трудного подъема на гору.

Лу и физик Орен Раз ранее предсказывали, что такие короткие пути охлаждения возможны. «Приятно видеть, что это действительно работает, — говорит Раз из Института науки Вейцмана в Реховоте (Израиль). Но, отмечает он, «мы не знаем, сработает ли это в воде или нет».

Сложности с водой могут быть связаны с наличием примесей, испарением и возможностью переохлаждения, когда вода остается жидкой при температуре ниже нормальной температуры замерзания.

Простота исследования — часть его красоты, — заметила физик-теоретик Мария Вучелья из Университета Вирджинии в Шарлоттсвилле. «Это одна из очень простых схем, и она уже достаточно богата, чтобы продемонстрировать этот эффект». Это говорит о том, что эффект Мпембы может выходить за рамки стеклянных бусин или воды. «Я могу предположить, что этот эффект в природе проявляется довольно часто в других местах, просто мы не обращали на него внимания».

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий