Яка вода заморожується швидше за гаряча або холодна. "Це не всесвітня фізика, а якась фізика Мпемби"

Вода- Досить проста речовина з хімічної точки зору, проте при цьому вона має ряд незвичайних властивостей, які не перестають дивувати вчених. Нижче запропоновано кілька фактів, про які мало хто знає.

1. Яка вода замерзає швидше – холодна чи гаряча?

Візьмемо дві ємності з водою: в одну наллємо гарячу, а в іншу холодну воду, і помістимо їх в морозильну камеру. Гаряча вода замерзне швидше за холодну, хоча за логікою речей, першою повинна була перетворитися на лід холодна вода: адже гарячій воді треба спочатку охолонути до температури холодної, а потім уже перетворюватися на лід, тоді як холодній воді остигати не треба. Чому так відбувається?

У 1963 році один танзанський студент на ім'я Ерасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba), заморожуючи приготовлену суміш для морозива, помітив, що гаряча суміш застигає в морозильній камері швидше, ніж холодна. Коли юнак поділився своїм відкриттям із учителем фізики, той лише посміявся з нього. На щастя, учень виявився наполегливим і переконав вчителя провести експеримент, який і підтвердив його відкриття: за певних умов гаряча вода справді замерзає швидше за холодну.

Тепер цей феномен гарячої води, що замерзає швидше за холодну, носить назву « ефект Мпемба». Щоправда, за довго до нього ця унікальна властивість води була відзначена Аристотелем, Френсісом Беконом та Рене Декартом.

Вчені так і не розуміють природу цього явища, пояснюючи його або різницею в переохолодженні, випаровуванні, утворенні льоду, конвекції, або впливом розріджених газів на гарячу і холодну воду.

2. Вона здатна замерзати миттєво

Усі знають, що водазавжди перетворюється на лід при охолодженні до 0 °C … за винятком деяких випадків! Таким випадком, наприклад, є надохолодження, яке є властивістю дуже чистої води залишатися рідкою, навіть будучи охолодженою до температури нижче точки замерзання. Це стає можливим завдяки тому, що довкілля не містить центрів або ядер кристалізації, які могли б спровокувати утворення кристалів льоду. І тому вода залишається в рідкій формі, навіть охолодженою до температури нижче нуля градусів за Цельсієм.

Процес кристалізаціїможе бути спровокований, наприклад, бульбашками газу, домішками (забрудненнями), поверхнею нерівною ємності. Без них вода залишатиметься у рідкому стані. Коли процес кристалізації запускається, можна спостерігати, як надохолоджена вода миттєво перетворюється на лід.

Зауважте, що «надгріта» вода також залишається рідкою, навіть нагрітою до температури вище точки закипання.

3. 19 станів води

Не замислюючись, назвіть, скільки різних станів має вода? Якщо ви відповіли три: тверда, рідка, газоподібна, то ви помилилися. Вчені виділяють як мінімум 5 різних станів води в рідкому вигляді та 14 станів у замерзлому вигляді.

Пам'ятаєте розмову про надохолоджену воду? Так ось, що б ви не робили, при температурі -38 ° C навіть найчистіша охолоджена вода раптово перетвориться на лід. Що ж станеться за подальшого зниження температури? При -120 °C з водою починає відбуватися щось дивне: вона стає надв'язкою або тягучою, як патока, а при температурі нижче -135 °C вона перетворюється на "скляну" або "склоподібну" воду - тверда речовина, в якій відсутня кристалічна Структура.

4. Вода дивує фізиків

На молекулярному рівні вода вражає ще більше. У 1995 році експеримент із розсіяння нейтронів, що проводився вченими, дав несподіваний результат: фізики виявили, що нейтрони, спрямовані на молекули води, «бачать» на 25% менше протонів водню, ніж очікувалося.

Виявилося, що на швидкості однієї аттосекунди (10 -18 секунд) має місце незвичайний квантовий ефект і хімічна формула води замість H2Oстає H1.5O!

5. Пам'ять води

Альтернативна офіційній медицині гомеопатіястверджує, що розведений розчин лікарського препарату може мати лікувальний ефект на організм, навіть якщо коефіцієнт розведення настільки великий, що в розчині вже не залишилося нічого, крім молекул води. Прихильники гомеопатії пояснюють цей парадокс концепцією під назвою « пам'ять води», згідно з якою вода на молекулярному рівні має «пам'ять» про речовину, яка колись у ній розчинена і зберігає властивості розчину початкової концентрації після того, як у ньому не залишається жодної молекули інгредієнта.

Міжнародна група вчених на чолі з професором Медлін Еніс (Madeleine Ennis) з Королівського університету в Белфасті (Queen's University of Belfast), яка критикувала принципи гомеопатії, в 2002 році провела експеримент, щоб раз і назавжди спростувати цю концепцію. Результат виявився зворотним. Після чого вчені заявили, що їм вдалося довести реальність ефекту. пам'яті води». Проте, досліди, проведені під наглядом незалежних експертів, результатів не принесли. Спори про існування феномену пам'яті води» продовжуються.

Вода має безліч інших незвичайних властивостей, про які ми не розповіли в цій статті. Наприклад, щільність води змінюється в залежності від температури (щільність льоду менша за щільність води); вода має досить велику величину поверхневого натягу; в рідкому стані вода являє собою складну мережу з водних кластерів, що динамічно змінюється, і саме поведінка кластерів впливає на структуру води і т.д.

Про ці та багато інших несподіваних особливостей водиможна прочитати у статті « Аномальні властивості води», автором якої є Мартін Чаплін, професор Лондонського університету.

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.

Ефект Мпемби чи чому гаряча вода замерзає швидше за холодну? Ефект Мпемби (Парадокс Мпемби) - парадокс, який свідчить, що гаряча вода за певних умов замерзає швидше, ніж холодна, хоча у своїй вона має пройти температуру холодної води у процесі замерзання. Даний парадокс є експериментальним фактом, що суперечить звичайним уявленням, згідно з якими при одних і тих же умовах нагрітішому тілу для охолодження до деякої температури потрібно більше часу, ніж менш нагрітому тілу для охолодження до тієї ж температури. Цей феномен помічали свого часу Арістотель, Френсіс Бекон і Рене Декарт, проте лише 1963 року танзанійський школяр Ерасто Мпемба встановив, що гаряча суміш морозива замерзає швидше, ніж холодна. Будучи учнем Магамбінської середньої школи Танзанії Ерасто Мпемба робив практичну роботу з кухарському справі. Йому потрібно було виготовити саморобне морозиво – закип'ятити молоко, розчинити в ньому цукор, охолодити його до кімнатної температури, а потім поставити в холодильник для замерзання. Очевидно, Мпемба був особливо старанним учнем і зволікав з виконанням першої частини завдання. 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 заданою технологією. Після цього Мпемба експериментував не лише з молоком, а й із звичайною водою. У всякому разі, вже будучи учнем Мквавської середньої школи він поставив питання професору Деннісу Осборну з університетського коледжу в Дар-Ес-Саламі (запрошеному директором школи прочитати учням лекцію з фізики) саме з приводу води: "Якщо взяти два однакові контейнери з рівними обсягами води так, що в одному з них вода має температуру 35 ° С, а в іншому - 100 ° С, і поставити їх в морозилку, то в другому вода замерзне швидше. Чому? Осборн зацікавився цим питанням і невдовзі 1969 року разом із Мпембой опублікували результати своїх експериментів у журналі " Physics Education " . З того часу виявлений ними ефект називається ефектом Мпемби. Досі ніхто достеменно не знає, як пояснити цей дивний ефект. Вчені не мають єдиної версії, хоча існує багато. Вся справа в різниці властивостей гарячої та холодної води, але поки не зрозуміло, які саме властивості відіграють роль у цьому випадку: різниця у переохолодженні, випаровуванні, формуванні льоду, конвекції чи дії розріджених газів на воду за різних температур. Парадоксальність ефекту Мпемби в тому, що час, протягом якого тіло остигає до температури навколишнього середовища, має бути пропорційно різниці температур цього тіла та навколишнього середовища. Цей закон було встановлено ще Ньютоном і з того часу багато разів підтверджувався практично. У цьому ж ефект вода з температурою 100°С остигає до температури 0°С швидше, ніж така ж кількість води з температурою 35°С. Тим не менш, це ще не передбачає парадокс, оскільки ефект Мпемби можна знайти пояснення і в рамках відомої фізики. Ось кілька пояснень ефекту Мпемби: Випаровування Гаряча вода швидше випаровується з контейнера, зменшуючи тим самим свій об'єм, а менший об'єм води з тією ж температурою замерзає швидше. Нагріта до 100°С вода втрачає 16% своєї маси при охолодженні до 0°С. Ефект випаровування – подвійний ефект. По-перше, зменшується маса води, яка потрібна для охолодження. І по-друге, знижується температура через те, що зменшується теплота випаровування переходу з фази води у фазу пари. Різниця температур Через те, що різниця температур між гарячою водою і холодним повітрям більша - отже теплообмін у цьому випадку йде інтенсивніше і гаряча вода швидше охолоджується. Переохолодження Коли вода охолоджується нижче 0°С вона не завжди замерзає. За деяких умов вона може перетерпіти переохолодження, продовжуючи залишатися рідкою при температурах нижче температури точки замерзання. У деяких випадках вода може залишатися рідкою навіть при температурі -20 С. Причина цього ефекту в тому, що для того, щоб почали формуватися перші кристали льоду, потрібні центри кристалоутворення. Якщо їх немає в рідкій воді, тоді переохолодження продовжуватиметься доти, доки температура не знизиться настільки, що кристали почнуть формуватися спонтанно. Коли вони почнуть формуватися в переохолодженій рідині, вони почнуть рости швидше, формуючи льодову шугу, яка замерзаючи, утворюватиме лід. Гаряча вода найбільше схильна до переохолодження оскільки її нагрівання усуває розчинені гази і бульбашки, які у свою чергу, можуть служити центрами утворення кристалів льоду. Чому ж переохолодження змушує гарячу воду застигати швидше? У випадку холодної води, яка не переохолоджується відбувається наступне. У цьому випадку тонкий шар льоду утворюватиметься на поверхні судини. Цей шар льоду діятиме як ізолятор між водою та холодним повітрям і перешкоджатиме подальшому випаровуванню. Швидкість формування кристалів льоду у разі буде менше. У разі гарячої води, що піддається переохолодженню, переохолоджена вода не має захисного поверхневого шару льоду. Тому вона втрачає тепло набагато швидше через відкритий верх. Коли процес переохолодження закінчується і вода замерзає, втрачається набагато більше тепла і тому формується більше льоду. Багато дослідників цього ефекту вважають переохолодження головним чинником у разі ефектом Мпемба. Конвекція Холодна вода починає замерзати зверху, погіршуючи тим самим процеси тепловипромінювання та конвекції, а значить і втрату тепла, тоді як гаряча вода починає замерзати знизу. Пояснюється цей ефект аномалією густини води. Вода має максимальну щільність при 4 °C. Якщо охолодити воду до 4 °C і покласти її при нижчій температурі, поверхневий шар води замерзне швидше. Тому що ця вода менш щільна ніж вода за температури 4 С, вона залишиться на поверхні, формуючи тонкий холодний шар. За цих умов тонкий шар льоду буде формуватися на поверхні води протягом короткого часу, але цей шар льоду служитиме ізолятором, що захищає нижні шари води, які залишатимуться при температурі 4 С. Тому подальший процес охолодження проходитиме повільніше. У випадку гарячої води ситуація зовсім інша. Поверхневий шар води охолоджуватиметься швидше за рахунок випаровування та більшої різниці температур. Крім того, холодний шари води більш щільні, ніж шари гарячої води, тому шар холодної води опускатиметься вниз, піднімаючи шар теплої води на поверхню. Така циркуляція води забезпечує швидке зниження температури. Але чому цей процес не досягає точки рівноваги? Для пояснення ефекту Мпемби з цієї точки зору конвекції слід було б прийняти, що холодні та гарячі шари води розділені і сам процес конвекції триває після того, як середня температура води опуститься нижче 4 С. Проте, немає експериментальних даних, які б підтверджували цю гіпотезу, що холодні та гарячі шари води розділені у процесі конвекції. Розчинені у воді гази Вода завжди містить розчинені у ній гази – кисень та вуглекислий газ. Ці гази мають здатність зменшувати точку замерзання води. Коли вода нагріта, ці гази виділяються з води, оскільки їх розчинність у воді за високої температури нижче. Тому коли гаряча вода охолоджується, у ній завжди менше розчинених газів, ніж у не нагрітій холодній воді. Тому точка замерзання нагрітої води вища і вона замерзає швидше. Цей фактор іноді розглядається як головний при поясненні ефекту Мпемби, хоча жодних експериментальних даних, що підтверджують цей факт, немає. Теплопровідність Цей механізм може відігравати істотну роль, коли вода поміщається в морозильник холодильної камери в невеликих контейнерах. У цих умовах помічено, що контейнер з гарячою водою протує під собою лід морозильної камери, покращуючи тим самим тепловий контакт зі стінкою морозилки та теплопровідність. Внаслідок чого тепло відводиться від контейнера з гарячою водою швидше, ніж від холодного. У свою чергу контейнер із холодною водою не протаює під собою сніг. Всі ці (і навіть інші) умови вивчалися у багатьох експериментах, але однозначної відповіді питання - які їх забезпечують стовідсоткове відтворення ефекту Мпембы - не було отримано. Так, наприклад, 1995 року німецький фізик Давид Ауербах вивчав вплив переохолодження води на цей ефект. Він виявив, що гаряча вода, досягаючи переохолодженого стану, замерзає за вищої температури, ніж холодна, отже швидше останньої. Зате холодна вода досягає переохолодженого стану швидше за гарячу, компенсуючи тим самим попереднє відставання. Крім того, результати Ауербаха суперечили отриманим раніше даними, що гаряча вода здатна досягти більшого переохолодження через меншу кількість центрів кристалізації. При нагріванні води з неї видаляються розчинені в ній гази, а при її кип'ятінні випадають в осад деякі розчинені в ній солі. Стверджувати поки що можна лише одне - відтворення цього ефекту істотно залежить від умов, у яких проводиться експеримент. Саме тому, що він відтворюється далеко не завжди. О. В. Мосін

21.11.2017 11.10.2018 Олександр Фірцев

« Яка вода замерзає швидше за холодну або гарячу?» - Спробуйте поставити запитання своїм знайомим, швидше за все більшість з них дадуть відповідь, що швидше замерзає холодна вода - і припуститься помилки.

Насправді, якщо одночасно поставити в морозильну камеру дві однакові за формою та обсягом судини, в одному з яких буде холодна вода, а в іншому гаряча, то швидше замерзне саме гаряча вода.

Подібне твердження може здатися абсурдним та нерозумним. Якщо слідувати логіці, то гаряча вода повинна спочатку охолонути до холодної температури, а холодна в цей час повинна вже перетвориться на лід.

То чому ж гаряча вода обганяє холодну дорогу до замерзання? Спробуємо розібратися.

Історія спостережень та досліджень

Парадоксальний ефект люди спостерігали ще з давніх-давен, але ніхто не надавав йому особливого значення. Так не стикування за швидкістю замерзання холодної та гарячої води відзначав у своїх записах Арестотель, а також Рене Декарт та Френсіс Бекон. Незвичайне явище часто виявлялося у побуті.

Довгий час явище ніяк не вивчалося і не викликало особливих інтересів серед учених.

Початок вивчення незвичайного ефекту було покладено в 1963 році, коли допитливий школяр з Танзанії — Ерасто Мпемба, зауважив, що гаряче молоко для морозива замерзає швидше за холодне. В надії отримати пояснення причин виникнення незвичайного ефекту, молодик поставив питання своєму вчителю фізики в школі. Проте вчитель лише посміявся з нього.

Пізніше Мпемба повторив експеримент, проте у своєму досвіді він використовував не молоко, а воду і парадоксальний ефект знову повторився.

Через 6 років — 1969 року Мпемба поставив це питання професору фізики Деннісу Осборну, який приїхав до його школи. Професора зацікавило спостереження юнака, в результаті було проведено експеримент, який підтвердив наявність ефекту, проте причин цього феномена встановлено не було.

З того часу явище називали ефектом Мпемби.

За історію наукових спостережень було висунуто безліч гіпотез про причини виникнення феномена.

Так, у 2012 році британським Королівським хімічним товариством би оголошено конкурс гіпотез, що пояснюють ефект Мпемби. У конкурсі брали участь вчені з усього світу, всього було зареєстровано 22 000 наукових праць. Незважаючи на настільки значну кількість статей, жодна з них не внесла ясності в феномен Мпемби.

Найбільш поширеною була версія згідно з якою, гаряча вода замерзає швидше, тому що вона просто швидше випаровується, її обсяг стає меншим, і в міру зменшення обсягу, швидкість її охолодження збільшується. Найпоширеніша версія в результаті була спростована оскільки був проведений експеримент, в якому було виключено випаровування, а ефект проте підтверджувався.

Інші вчені вважали, що причина ефекту Мпемби полягає у випаровуванні розчинених у воді газів. На їхню думку, у процесі нагрівання випаровуються розчинені у воді гази, за рахунок чого вона набуває більш високої щільності ніж холодна. Як відомо, підвищення густини призводить до зміни фізичних властивостей води (збільшення теплопровідності), а відтак і збільшення швидкості охолодження.

Крім цього, було висунуто низку гіпотез, що описують швидкість циркуляції води, залежно від температури. У багатьох дослідженнях була спроба встановити взаємозв'язок між матеріалом контейнерів у яких розташовувалася рідина. Дуже багато теорій здавалися дуже правдоподібними, проте науково підтвердити їх не вдавалося через брак вихідних даних протиріч в інших експериментах, або через те, що виявлені фактори були просто не зіставні зі швидкістю охолодження води. Деякі вчені у своїх роботах ставили під сумнів існування ефекту.

У 2013 році дослідники з Технологічного університету Наньян у Сінгапурі заявили, що розгадали загадку ефекту Мпемби. Згідно з проведеним ними дослідженням, причина феномену полягає в тому, що кількість енергії, запасеної у водневих зв'язках між молекулами холодної та гарячої води істотно відрізняється.

Методи комп'ютерного моделювання показали такі результати: що вище температура води, то більшою виявляється відстань між молекулами через те, що відштовхувальні сили збільшуються. А отже водневі зв'язки молекул розтягуються, запасаючи більшу кількість енергії. При охолодженні молекули починають зближуватись один з одним, вивільняючи енергію з водневих зв'язків. У цьому віддача енергії супроводжується зниженням температури.

У жовтні 2017 року Іспанські фізики під час чергового дослідження з'ясували, що велику роль у формуванні ефекту відіграє саме виведення речовини з рівноваги (сильне нагрівання перед сильним охолодженням). Вони визначили умови, за яких ймовірність прояву ефекту максимальна. Окрім цього, вчені з Іспанії підтвердили існування зворотного ефекту Мпемби. Вони виявили, що при нагріванні холодніший зразок може досягти високої температури швидше, ніж теплий.

Незважаючи на вичерпні відомості та численні експерименти, вчені мають намір продовжувати вивчення ефекту.

Ефект Мпемби у реальному житті

А ви роки замислювалися чому в зимовий час ковзанку заливають гарячою водою, а не холодною? Як ви вже зрозуміли, роблять це тому, що ковзанка залита гарячою водою замерзне швидше, ніж якби її заливали холодною. З тієї ж причини гарячою водою заливають гірки у зимових льодових містечках.

Таким чином, знання про існування феномену дозволяє людям заощадити час під час підготовки майданчиків для зимових видів спорту.

Крім цього, ефект Мпемби іноді використовується і в промисловості - для скорочення часу заморожування продуктів, речовин та матеріалів, що містять воду.

Ефект Мпемби(Парадокс Мпемби) - парадокс, який свідчить, що гаряча вода за певних умов замерзає швидше, ніж холодна, хоча у своїй вона має пройти температуру холодної води у процесі замерзання. Даний парадокс є експериментальним фактом, що суперечить звичайним уявленням, згідно з якими при одних і тих же умовах нагрітішому тілу для охолодження до деякої температури потрібно більше часу, ніж менш нагрітому тілу для охолодження до тієї ж температури.

Цей феномен помічали свого часу Арістотель, Френсіс Бекон і Рене Декарт, проте лише 1963 року танзанійський школяр Ерасто Мпемба встановив, що гаряча суміш морозива замерзає швидше, ніж холодна.

Будучи учнем Магамбінської середньої школи Танзанії Ерасто Мпемба робив практичну роботу з кухарському справі. Йому потрібно було виготовити саморобне морозиво – закип'ятити молоко, розчинити в ньому цукор, охолодити його до кімнатної температури, а потім поставити в холодильник для замерзання. Очевидно, Мпемба був особливо старанним учнем і зволікав з виконанням першої частини завдання. 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 заданою технологією.

Після цього Мпемба експериментував не лише з молоком, а й із звичайною водою. У всякому разі, вже будучи учнем Мквавської середньої школи він поставив питання професору Деннісу Осборну з університетського коледжу в Дар-Ес-Саламі (запрошеному директором школи прочитати учням лекцію з фізики) саме з приводу води: "Якщо взяти два однакові контейнери з рівними обсягами води так, що в одному з них вода має температуру 35 ° С, а в іншому - 100 ° С, і поставити їх в морозилку, то в другому вода замерзне швидше. Чому? Осборн зацікавився цим питанням і невдовзі 1969 року разом із Мпембой опублікували результати своїх експериментів у журналі " Physics Education " . З того часу виявлений ними ефект називається ефектом Мпемби.

Досі ніхто достеменно не знає, як пояснити цей дивний ефект. Вчені не мають єдиної версії, хоча існує багато. Вся справа в різниці властивостей гарячої та холодної води, але поки не зрозуміло, які саме властивості відіграють роль у цьому випадку: різниця у переохолодженні, випаровуванні, формуванні льоду, конвекції чи дії розріджених газів на воду за різних температур.

Парадоксальність ефекту Мпемби в тому, що час, протягом якого тіло остигає до температури навколишнього середовища, має бути пропорційно різниці температур цього тіла та навколишнього середовища. Цей закон було встановлено ще Ньютоном і з того часу багато разів підтверджувався практично. У цьому ж ефект вода з температурою 100°С остигає до температури 0°С швидше, ніж така ж кількість води з температурою 35°С.

Тим не менш, це ще не передбачає парадокс, оскільки ефект Мпемби можна знайти пояснення і в рамках відомої фізики. Ось кілька пояснень ефекту Мпемби:

Випаровування

Гаряча вода швидше випаровується з контейнера, зменшуючи цим свій об'єм, а менший об'єм води з тією ж температурою замерзає швидше. Нагріта до 100°С вода втрачає 16% своєї маси при охолодженні до 0°С.

Ефект випаровування – подвійний ефект. По-перше, зменшується маса води, яка потрібна для охолодження. І по-друге, знижується температура через те, що зменшується теплота випаровування переходу з фази води у фазу пари.

Різниця температур

Через те, що різниця температур між гарячою водою і холодним повітрям більша - отже теплообмін у цьому випадку йде інтенсивніше і гаряча вода швидше охолоджується.

Переохолодження

Коли вода охолоджується нижче 0°С вона не завжди замерзає. За деяких умов вона може перетерпіти переохолодження, продовжуючи залишатися рідкою при температурах нижче температури точки замерзання. У деяких випадках вода може залишатися рідкою навіть за температури –20°С.

Причина цього ефекту в тому, що для того, щоб почали формуватися перші кристали льоду, потрібні центри кристалоутворення. Якщо їх немає в рідкій воді, тоді переохолодження продовжуватиметься доти, доки температура не знизиться настільки, що кристали почнуть формуватися спонтанно. Коли вони почнуть формуватися в переохолодженій рідині, вони почнуть рости швидше, формуючи льодову шугу, яка замерзаючи, утворюватиме лід.

Гаряча вода найбільше схильна до переохолодження оскільки її нагрівання усуває розчинені гази і бульбашки, які у свою чергу, можуть служити центрами утворення кристалів льоду.

Чому ж переохолодження змушує гарячу воду застигати швидше? У випадку холодної води, яка не переохолоджується відбувається наступне. У цьому випадку тонкий шар льоду утворюватиметься на поверхні судини. Цей шар льоду діятиме як ізолятор між водою та холодним повітрям і перешкоджатиме подальшому випаровуванню. Швидкість формування кристалів льоду у разі буде менше. У разі гарячої води, що піддається переохолодженню, переохолоджена вода не має захисного поверхневого шару льоду. Тому вона втрачає тепло набагато швидше через відкритий верх.

Коли процес переохолодження закінчується і вода замерзає, втрачається набагато більше тепла і тому формується більше льоду.

Багато дослідників цього ефекту вважають переохолодження головним чинником у разі ефектом Мпемба.

Конвекція

Холодна вода починає замерзати зверху, погіршуючи тим самим процеси тепловипромінювання та конвекції, а значить і втрату тепла, тоді як гаряча вода починає замерзати знизу.

Пояснюється цей ефект аномалією густини води. Вода має максимальну щільність при 4 °C. Якщо охолодити воду до 4 °C і покласти її при нижчій температурі, поверхневий шар води замерзне швидше. Тому що ця вода менш щільна ніж вода за температури 4 С, вона залишиться на поверхні, формуючи тонкий холодний шар. За цих умов тонкий шар льоду буде формуватися на поверхні води протягом короткого часу, але цей шар льоду служитиме ізолятором, що захищає нижні шари води, які залишатимуться при температурі 4 С. Тому подальший процес охолодження проходитиме повільніше.

У випадку гарячої води ситуація зовсім інша. Поверхневий шар води охолоджуватиметься швидше за рахунок випаровування та більшої різниці температур. Крім того, холодний шари води більш щільні, ніж шари гарячої води, тому шар холодної води опускатиметься вниз, піднімаючи шар теплої води на поверхню. Така циркуляція води забезпечує швидке зниження температури.

Але чому цей процес не досягає точки рівноваги? Для пояснення ефекту Мпемби з цього погляду конвекції слід було б прийняти, що холодні і гарячі шари води розділені і процес конвекції триває після того, як середня температура води опуститься нижче 4 С.

Однак, немає експериментальних даних, які б підтверджували цю гіпотезу, що холодні та гарячі шари води розділені в процесі конвекції.

Розчинені у воді гази

Вода завжди містить розчинені у ній гази – кисень та вуглекислий газ. Ці гази мають здатність зменшувати точку замерзання води. Коли вода нагріта, ці гази виділяються з води, оскільки їх розчинність у воді за високої температури нижче. Тому коли гаряча вода охолоджується, у ній завжди менше розчинених газів, ніж у не нагрітій холодній воді. Тому точка замерзання нагрітої води вища і вона замерзає швидше. Цей фактор іноді розглядається як головний при поясненні ефекту Мпемби, хоча жодних експериментальних даних, що підтверджують цей факт, немає.

Теплопровідність

Цей механізм може відігравати істотну роль, коли вода поміщається в морозильник холодильної камери в невеликих контейнерах. У цих умовах помічено, що контейнер з гарячою водою протує під собою лід морозильної камери, покращуючи тим самим тепловий контакт зі стінкою морозилки та теплопровідність. Внаслідок чого тепло відводиться від контейнера з гарячою водою швидше, ніж від холодного. У свою чергу контейнер із холодною водою не протаює під собою сніг.

Всі ці (і навіть інші) умови вивчалися у багатьох експериментах, але однозначної відповіді питання - які їх забезпечують стовідсоткове відтворення ефекту Мпембы - не було отримано.

Так, наприклад, 1995 року німецький фізик Давид Ауербах вивчав вплив переохолодження води на цей ефект. Він виявив, що гаряча вода, досягаючи переохолодженого стану, замерзає за вищої температури, ніж холодна, отже швидше останньої. Зате холодна вода досягає переохолодженого стану швидше за гарячу, компенсуючи тим самим попереднє відставання.

Крім того, результати Ауербаха суперечили отриманим раніше даними, що гаряча вода здатна досягти більшого переохолодження через меншу кількість центрів кристалізації. При нагріванні води з неї видаляються розчинені в ній гази, а при її кип'ятінні випадають в осад деякі розчинені в ній солі.

Стверджувати поки що можна лише одне - відтворення цього ефекту істотно залежить від умов, у яких проводиться експеримент. Саме тому, що він відтворюється далеко не завжди.