Здравствуйте, уважаемые читатели! Мы продолжаем знакомить вас с удивительными явлениями из мира льда. На этот раз мы хотим поделиться с вами таким фактом, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Невероятно, но это есть на самом деле!
Это явление именуется эффектом, или парадоксом Мпембы, по имени танзанийского школьника, который сам того не желая, всколыхнул ученые умы.
Эрасто Мпемба (Erasto B. Mpemba) выполнял кулинарное задание по приготовлению мороженого. Ему необходимо было растворить сахар в кипяченом молоке, дать смеси остыть и затем поместить в холодильную камеру для замерзания. Но Эрасто, видимо в спешке, поставил в холодильник еще не остывшую смесь. Когда он проверял готовность продукта, то с удивлением обнаружил, что его горячая смесь замерзла раньше тех, которые поместили остывшими его приятели по кулинарной практике.
Своим наблюдением Эрасто поделился со школьным учителем, а тот поднял его на смех. Но Эрасто это не остановило, он проводил опыты по замораживанию горячей воды, и результат получался тот же. А спустя несколько лет Эрасто обратился с вопросом к преподавателю Университета в Дар-эс-Саламе (крупнейший городской центр Танзании) профессору Дэнису Осборну (Denis G. Osborne), который приехал читать лекции по физике в школу города Иринга, где учился Мпемба:
– Если взять два одинаковых контейнера с равным объемом воды, но с температурой одного объема 95°F (35°С), а другого – 212°F (100°С), и положить их в морозильную камеру, то тот объем, который имеет начальную температуру 212°F, замерзает в первую очередь. Почему?
Илл.1 – Эрасто Мпемба и Дэнис Осборн. Лондон, 2013
Профессор Осборн заинтересовался вопросом школьника, и вместе с ним он повторил эксперимент, удивившись результату. Ведь, казалось бы, сильно нагретое тело должно остывать дольше, чем слабо нагретое? Но факт – есть факт.
Это случайное открытие произошло в 1963 году, а широкую огласку оно получило спустя шесть лет, после публикации совместной статьи Мпембы и Осборна о данном эффекте в научном журнале «Physics Education».
Илл.2 – Диаграмма замерзания горячей (красная линия) и холодной (синяя линия) воды.
Илл.2 – Диаграмма замерзания горячей (красная линия) и холодной (синяя линия) воды.
Стоит сказать, что эффект этот наблюдали и описывали задолго до Эрасто Мпембы Аристотель (IV в. до н.э.), философы и натуралисты Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт (XVI-XVII вв.), но именно танзанийский школьник вернул к жизни интерес ученого мира к этому необычному факту.
Почему так происходит, какие факторы влияют на этот процесс? Четкого ответа пока что еще не последовало. Впрочем, специалисты выдвигают несколько версий, пытаясь объяснить механизм явления.
Илл.3 – Замерзание мельчайших капель кипятка при выплескивании его в воздух в сильный мороз.
Наиболее распространена гипотеза о том, что горячая вода в процессе интенсивного испарения уменьшает свой начальный объем, что снижает время ее замерзания, в сравнении с таким же начальным объемом холодной воды.
Возможно, при испарении высвобождаются растворенные в воде газы, которые могут влиять на скорость замерзания.
Интерес представляет еще одна версия, связанная с направлением кристаллизации.
Замерзание негорячей воды происходит сверху вниз, а горячей –
снизу вверх.
Лед, образуемый в изначально холодной воде, препятствует конвективному движению в ней и теплообмену с воздухом, ведь замерзание есть физический процесс теплоотдачи. В случае с горячей водой теплообмен ничем не затрудняется.
Обсуждается различие состава воды. В заметке Снежинки – микроледяные скульптуры мы говорили о том, что для образования льда необходимо наличие центров кристаллизации, т.е. вода должна содержать примеси, для того чтобы ей легче было перейти в твердое состояние. Чистая вода без примесей может переохладиться, т.е. оставаться в жидком состоянии при температуре ниже 0°С. Если в горячей воде такие примеси есть, а в холодной они отсутствуют, то, само собой разумеется, что горячая вода замерзнет быстрее.
Исследователи данного явления излагают также идею о наличии в морозильной камере, где проводится эксперимент, слоя снега под контейнерами с водой, который обуславливает теплообменный процесс. Контейнер с горячей водой протапливает под собой снег, а вода, в свою очередь, усиливает тепловой контакт с поверхностью морозильной камеры и увеличивает теплопроводность.
А недавно команда ученых из Наньянского технологического университета (Nanyang Technological University) в Сингапуре разработала свою версию происходящего. Молекулы воды имеют между собой водородные связи, благодаря которым они удерживаются друг от друга на определенном расстоянии (подробнее об этом в статье Лед). По мере нагревания воды ее плотность уменьшается, т.е. расстояние между молекулами увеличивается, водородные связи удлиняются, накапливая при этом энергию. Охлаждение, наоборот, приводит к высвобождению этой энергии и увеличению плотности молекулярной структуры. Исходя из этого, ученые сделали предположение, что отдача увеличенного запаса энергии при охлаждении изначально горячей воды способствует более быстрому ее замерзанию, в отличие от холодной воды, где количества энергии в водородных связях между молекулами меньше.
Будем надеяться, что ученым все-таки удастся докопаться до истины и дать окончательное определение этого явления. Желаем им успехов!
Илл.4 – Японские макаки, принимающие геотермальные ванны
Улыбочку! А вот знаменитых японских макаков, принимающих природные теплые ванны, эффект Мпембы, похоже, не волнует (илл.4). В таких геотермальных источниках всегда поддерживается постоянная температура, и обезьянам не надо беспокоиться насчет коммунальных услуг.
Наша короткая заметка подошла к концу.
Дорогие друзья, будем рады видеть вас на других страницах нашего сайта!