Чому кип'ячена вода замерзає швидше. Ефект Мпемби чи чому гаряча вода замерзає швидше за холодну? Питання виникало давно

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. Холодній воді цей етап можна пропустити, а відповідно за часом 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. У 1969 році у популярному науковому журналівийшла спільна стаття цих двох людей, котрі описали цей своєрідний ефект.

З того часу, до речі, питання про те, яка вода швидше замерзає - гаряча чи холодна, має власна назва- 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 водазамерзає у процесі експерименту. Повинні бути присутніми певні умовидля того, щоб почати сперечатися, яка вода замерзає швидше – холодна чи гаряча. Що впливає на 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 з гарячою водоюрозплавить під собою сніг, тим самим покращуючи контакт теплового рівня зі стінкою холодильника. Контейнер з холодною водоютакого 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. Дотримуючись певних законів, холодна вода замерзати починає з верхніх шарівКоли 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 випромінюванняТим самим пояснюється, яка вода замерзає швидше - холодна чи гаряча. Фото з аматорських експериментів додається, і це чітко видно.

Тепло виходить назовні, прагнучи вгору, а там зустрічається з дуже охолодженим шаром. Вільного шляхудля 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 елементив наявності тільки в гарячій воді, а холодна вода при цьому ними не має, тоді є можливість гарячої води замерзнути раніше. Пояснюється це тим, що розчинені речовини у воді створюють центри кристалізації, і при малій кількості цих центрів перетворення води на твердий станутруднено. 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 формуламиі 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.

Одним із моїх найулюбленіших предметів у школі була хімія. Якось викладач хімії дав нам дуже дивне і важке завдання. Він дав нам список питань, на які ми мали відповісти з точки зору хімії. На це завдання нам дали кілька днів та дозволили користуватися бібліотеками та іншими доступними джереламиінформації. Одне з цих питань стосувалося температури замерзання води. Я точно не пам'ятаю, як звучало питання, але йшлося про те, що якщо взяти два дерев'яні відра однакового розміру, одне з гарячою водою, інше з холодною (з точно вказаною температурою), і помістити їх у середу з певною температурою, яке з їх замерзне швидше? Звичайно, відразу ж напрошувалася відповідь – цебро з холодною водою, але нам здалося це занадто просто. Але цього було недостатньо, щоб дати повну відповідь, нам треба було довести це з хімічної точки зору. Незважаючи на всі мої роздуми та дослідження, я не зміг зробити логічного висновку. Цього дня я навіть вирішив пропустити цей урок, тож я так і не впізнав рішення цієї загадки.

Минули роки, і я дізнався багато побутових міфів про температуру кипіння та замерзання води, і один міф говорив: гаряча вода замерзає швидше. Я переглянув безліч веб-сайтів, але інформація була занадто суперечливою. І це були лише думки, необгрунтовані з погляду науки. І я наважився провести власний досвід. Оскільки мені не вдалося знайти дерев'яні відра, я використав морозильну камеру, плиту, трохи води та цифровий термометр. Про результати мого досвіду я розповім трохи згодом. Спочатку я поділюся з вами деякими цікавими аргументами щодо води:

Гаряча вода замерзає швидше за холодну. Більшість експертів стверджують, що холодна вода замерзне швидше за гарячу. Але одне кумедне явищ (так званий ефект Мемба), з незрозумілих причин, доводить протилежне: Гаряча вода замерзає швидше за холодну. Одним із кількох пояснень є процес випаровування: якщо дуже гарячу воду помістити в холодне середовище, то вода почне випаровуватись (що залишилася кількість води замерзне швидше). І згідно із законами хімії це зовсім не міф, і найімовірніше саме це викладач хотів від нас почути.

Кип'ячена вода замерзає швидше за водопровідну воду. Незважаючи на попереднє пояснення, деякі експерти стверджують, що кип'ячена вода, що охолоне до кімнатної температуриповинна замерзнути швидше, тому що в результаті кипіння скорочується кількість кисню.

Холодна вода закипає швидше за гарячу воду. Якщо гаряча вода замерзає швидше, можливо холодна вода швидше закипає! Це суперечить здоровому глуздуі вчені стверджують, що цього не може бути. Гаряча вода з крана насправді має закипати швидше, ніж холодна. Але, використовуючи гарячу воду для кип'ятіння, ви не заощаджуєте енергію. Можливо ви і витратите менше газу або світла, але водонагрівач буде використовувати ту саму кількість енергії, яка потрібна для нагрівання холодної води. (З сонячною енергієюсправа йде трохи інакше). В результаті нагрівання води водонагрівачем може з'явитися осад, тому вода буде нагріватися довше.

Якщо у воду додати сіль, вона закипить швидше. Сіль підвищує температуру кипіння (і відповідно знижує температуру замерзання – ось чому деякі господині додають у морозиво трохи кам'яної солі). Але нас у даному випадкуцікавить інше питання: як довго вода закипатиме і чи може температура кипіння в цьому випадку піднятися вище 100°C). Незважаючи на те, що пишуть у кулінарних книгах, вчені стверджують, що кількість солі, яку ми додаємо в киплячу воду, недостатня для того, щоб вплинути на час або температуру кипіння.

Але ось що вийшло у мене:

Холодна вода: я використовував три скляні склянки по 100 мл очищеної води: одна склянка з кімнатною температурою (72°F/22°C), одна - з гарячою водою (115°F/46°C), і одна з кип'яченою (212 °F/100°C). Усі три склянки я помістив у морозильну камеру за температури –18°C. І оскільки я знав, що вода не відразу перетвориться на кригу, ступінь заморожування я визначав по «дерев'яному поплавцю». Коли паличка, поміщена в центр склянки, більше не торкалася основи, я вважав, що вода замерзла. Склянки я перевіряв кожні п'ять хвилин. І які мої результати? Вода в першій склянці стала через 50 хвилин. Гаряча вода замерзла за 80 хвилин. Кип'ячена – через 95 хвилин. Мої висновки: враховуючи умови в морозильній камері та воду, яку я використав, мені не вдалося відтворити ефект Мемба.

Я також пробував провести такий досвід із раніше кип'яченою водою, що остигнула до кімнатної температури. Вона замерзла через 60 хвилин - все одно знадобилося більше часу, ніж замерзання холодної води.

Кип'ячена вода: я взяв літр води за кімнатної температури і поставив її на вогонь. Вона закипіла за шість хвилин. Потім я знову її охолодив до кімнатної температури і додав її в гарячу. При такому ж вогні гаряча вода закипіла за 4 години та 30 хвилин. Висновок: як і очікувалося, гаряча вода закипає значно швидше.

Кип'ячена вода (з сіллю): я додав 2 великі ложки столової солі на 1 літр води. Вона закипіла через 6 хвилин 33 секунди, і, як показав термометр, досягла температури 102°C. Сіль впливає на температуру кипіння, але не сильно. Висновок: сіль у воді не сильно впливає на температуру і час кипіння. Я чесно визнаю, що мою кухню важко назвати лабораторією, і, можливо, мої висновки суперечать дійсності. Моя морозильна камера може нерівномірно заморожувати продукти. Мої скляні склянки могли бути неправильної форми, І т.д. Але що б не вийшло в лабораторних умов, коли мова йдепро заморожування або кип'ятіння води на кухні, найголовніше - це здоровий глузд.

посилання з цікавими фактамипро воду все про воду
Як підказали на форумі forum.ixbt.com цей ефект (ефект замерзання гарячої води швидше ніж холодної) називається "ефект Аристотеля-Мпемби"

Тобто. швидше замерзає кип'ячена вода (охолоджена) ніж "сира"

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 школиу Танзанії Ерасто Мпемба робив практичну роботуу кухарській 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 коледжуу Дар-Ес-Саламі (запрошеному директором школи прочитати учням лекцію з фізики) саме з приводу води: "Якщо взяти два однакові контейнери з рівними обсягамиводи 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?" ефектом Мпемби.

Досі ніхто достеменно не знає, як пояснити цей дивний ефект. У вчених немає єдиної версіїхоча 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 довкілля, 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 щільністьпри 4°С. Якщо охолодити воду до 4°С і покласти її за більш низької температури, 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, який захищає нижні шари води, які залишатимуться при температурі 4°С. подальший процесохолодження 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 водина 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 продовжується після того, як Середня температураводи 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 в ній гази - кисень і вуглекислий газ. Ці гази мають здатність зменшувати точку замерзання води. Коли вода нагріта, ці гази виділяються з води, оскільки їх розчинність у воді при високій температурінижче. 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 грати істотну рольколи вода вміщується 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.

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

Нагріта вода замерзає набагато швидше, ніж холодна! Це дивовижна властивістьводи, точне пояснення якому вчені що неспроможні 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 та доктор Осборн експериментували з водою різної температуриі 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, при якому нижні теплі шари рідини піднімаються, а верхні, охололі, опускаються.

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