Ефект Мпемби або чому гаряча вода замерзає швидше холодної? Те, що ви не знали про воду.

ефект Мпемби (Парадокс Мпемби) - парадокс, який говорить, що гаряча вода при деяких умовах замерзає швидше, ніж холодна, хоча при цьому вона повинна пройти температуру холодної води в процесі замерзання. Даний парадокс є експериментальним фактом, Таким, що суперечить традиційним уявленням, згідно з якими при одних і тих же умовах більш нагрітого тіла для охолодження до деякої температури потрібно більше часу, ніж менш нагрітого тіла для охолодження до тієї ж температури.

Цей феномен помічали свого часу Аристотель, Френсіс Бекон і Рене Декарт, проте лише в 1963 році танзанійський школяр Ераста Мпемби встановив, що гаряча суміш морозива замерзає швидше, ніж холодна.

Будучи учнем Магамбінской середньої школи в Танзанії Ераста Мпемби робив практичну роботу по кухарської справи. Йому потрібно було виготовити саморобний морозиво - закип'ятити молоко, розчинити в ньому цукор, охолодити його до кімнатної температури, а потім поставити в холодильник для замерзання. Мабуть, Мпемби не був особливо старанним учнем і забарився з виконанням першої частини завдання. Побоюючись, що не встигне до кінця уроку, він поставив в холодильник ще гаряче молоко. На його подив, воно замерзло навіть раніше, ніж молоко його товаришів, приготоване за заданою технологією.

Після цього Мпемби експериментував не тільки з молоком, а й зі звичайною водою. У всякому разі, вже будучи учнем Мквавской середньої школи він поставив запитання 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 однакових контейнера 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 незабаром в 1969 році вони разом з Мпемби опублікували результати своїх експериментів в журналі "Physics Education". З тих пір виявлений ними ефект називається ефектом Мпемби.

До сих пір ніхто точно не знає, як пояснити цей дивний ефект. У вчених немає єдиної версії, хоча існує багато. Вся справа в різниці властивостей гарячої та холодної води, але поки не зрозуміло, які саме властивості відіграють роль в цьому випадку: різниця в переохолодженні, випаровуванні, формуванні льоду, конвекції або впливі розріджених газів на воду при різних температурах.

Парадоксальність ефекту Мпемби в тому, що час, протягом якого тіло остигає до температури довкілля, Має бути пропорційно різниці температур цього тіла і навколишнього середовища. Цей закон був встановлений ще Ньютоном і з тих пір багато разів підтверджувався на практиці. В даному ж ефекті вода з температурою 100 ° С остигає до температури 0 ° С швидше, ніж така ж кількість води з температурою 35 ° С.

Проте, це ще не передбачає парадокс, оскільки ефекту 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 обсяг, а менший обсяг води з тієї 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 необхідна для охолодження. І по-друге, знижується температура через те, що зменшується теплота випаровування переходу з фази води в фазу пара.

різниця температур

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

переохолодження

Коли вода охолоджується нижче 0 С вона не завжди замерзає. При деяких умовах вона може зазнавати 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 кристаллообразования. Якщо їх немає в рідкій воді, тоді переохолодження триватиме до тих пір, поки температура не знизиться настільки, що кристали почнуть формуватися спонтанно. Коли вони почнуть формуватися в переохолоджених рідини, вони почнуть рости швидше, формуючи Ледово шугу, яка замерзаючи, буде утворювати лід.

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

Чому ж переохолодження змушує гарячу воду застигати швидше? У випадку з холодною водою, що не переохолоджується відбувається наступне. В цьому випадку тонкий шар льоду буде утворюватися на поверхні судини. Цей шар льоду буде діяти як ізолятор між водою і холодним повітрям і буде перешкоджати подальшому випаровуванню. Швидкість формування кристалів льоду в цьому випадку буде менше. У випадку з гарячою водою, яка піддається переохолодженню, переохолоджених 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 фактором у випадку з ефектом Мпемби.

Конвекція

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

Пояснюється цей ефект аномалією густини води. Вода має максимальну щільність при 4 С. Якщо охолодити воду до 4 С і покласти її при більш низькій температурі, поверхневий шар води замерзне швидше. Тому що ця вода менш щільна ніж вода при температурі 4 С, вона залишиться на поверхні, формуючи тонкий холодний шар. При цих умовах тонкий шар льоду буде формуватися на поверхні води протягом короткого часу, але цей шар льоду буде служити ізолятором, що захищає нижні шари води, які будуть залишатися при температурі 4 С. Тому подальший процес охолодження буде проходити повільніше.

У випадку з гарячою водою ситуація зовсім інша. Поверхневий шар води буде охолоджуватися більш швидше за рахунок випаровування і більшої різниці температур. Крім того, холодний шари води більш щільні, ніж шари гарячої води, тому шар холодної води буде опускатися вниз, піднімаючи шар теплої води на поверхню. Така циркуляція води забезпечує швидке падіння температури.

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

Однак, немає експериментальних даних, які підтверджували б цю гіпотезу, що холодні і 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 в воді при високій температурі нижче. Тому коли гаряча вода охолоджується, в ній завжди менше розчинених газів, ніж в не нагрітий холодній воді. Тому точка замерзання нагрітої води вище і вона замерзає швидше. Цей фактор іноді розглядається як головний при поясненні ефекту Мпемби, хоча ніяких експериментальних даних, що підтверджують цей факт немає.

теплопровідність

Цей механізм може відігравати суттєву роль коли вода поміщається в морозильник холодильної камери в невеликих контейнерах. У цих умовах відмічено, що контейнер з гарячою водою протавали під собою лід морозильної камери, покращуючи тим самим тепловий контакт із стінкою морозилки і теплопровідність. В результаті чого, тепло відводиться від контейнера з гарячою водою швидше, ніж від холодного. У свою чергу контейнер з холодною водою не протавали під собою сніг.

Всі ці (а також інші) умови вивчалися в багатьох експериментах, але однозначної відповіді на питання - які з них забезпечують стовідсоткове відтворення ефекту Мпемби - так і не було отримано.

Так, наприклад, в 1995 році німецький фізик Давид Ауербах вивчав вплив переохолодження води на цей ефект. Він виявив, що гаряча вода, досягаючи переохолодженого стану, замерзає при більш високій температурі, ніж холодна, а значить швидше останньої. зате холодна вода досягає переохолодженого стану швидше гарячої, компенсуючи тим самим попереднє відставання.

Крім того, результати Ауербаха суперечили отриманим раніше даним, що гаряча вода здатна досягти більшого переохолодження через меншої кількості 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 можна тільки одне - відтворення цього ефекту істотно залежить від умов, в яких проводиться експеримент. Саме тому, що відтворюється він далеко не завжди.

О. В. Мосін

літературніджерела:

"Hot water freezes faster than cold water. Why does it do so?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.

"The Freezing of Hot and Cold Water", G.S. Kell in American Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, in American Journal of Physics, Vol. 63, No. 10, pp 882-885; Oct, 1995.

"The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water", Charles A. Knight, in American Journal of Physics, Vol. 64, No. 5, p 524; May, 1996..

Здається очевидним, що холодна вода замерзає швидше гарячої, оскільки в рівних умовах гарячій воді потрібно більше часу, щоб охолонути і згодом - замерзнути. Однак тисячолітні спостереження, а також сучасні експерименти показали, що вірно і зворотне: при певних умовах гаряча вода замерзає швидше холодної. Науковий канал Sciencium пояснює це явище:

Як пояснюється на відео вище, феномен, коли гаряча вода замерзає швидше холодної, відомий як ефект Мпемби, названий по імені Ераста Мпемби - студента з Танзанії, який в 1963 році робив морозиво як частина шкільного проекту. Студенти повинні були довести до кипіння суміш вершків і цукру, дати йому охолонути, а потім покласти в морозилку.

Замість цього Ераста поставив свою суміш відразу, розпеченій, не чекаючи, поки вона охолоне. У підсумку, через 1,5 години його суміш вже була заморожена, а суміші інших учнів - немає. Зацікавившись явищем, Мпемби почав вивчати питання разом з професором фізики Денисом Осборном, і в 1969 році вони опублікували статтю, в якій говорилося, що тепла вода замерзає швидше, ніж холодна вода. Це було перше рецензованих подібне дослідження, однак саме явище згадується ще в паперах Аристотеля, що датуються IV століттям до н. е. Френсіс Бекон і Декарт також відзначали це явище в своїх дослідженнях.

У відео перераховані кілька варіантів пояснень того, що відбувається:

1. Мороз є діелектриком, і тому морозна холодна вода зберігає тепло краще, ніж теплий стакан, що плавить лід, стикаючись з ним
2. У холодній воді більше розчинених газів, ніж в теплій, і дослідники припускають, що це може грати роль в швидкості охолодження, хоча поки незрозуміло як
3. Гаряча вода втрачає більше водних молекул за рахунок випаровування, тому їх менше залишається для заморозки
4. Тепла вода може охолоджуватися швидше за рахунок збільшення конвективних течій. Ці течії виникають, оскільки в першу чергу вода в склянці охолоджується на поверхні і з боків, змушуючи холодну воду тонути, а гарячу - підніматися. У теплому склянці конвективні течії активніші, що може вплинути на швидкість охолодження.

Однак в 2016 році було проведено ретельно контрольоване дослідження, яке, свідчить про інше: гаряча вода замерзала набагато повільніше холодної. При цьому вчені помітили, що зміна місця розташування термопари - приладу, що визначає перепади температури, - всього на сантиметр веде до появи ефекту Мпемби. Вивчення інших подібних робіт показало, що у всіх випадках, коли спостерігався цей ефект, можна говорити про зміщення термопари в межах сантиметра.

Вода - одна з найдивовижніших рідин на світлі, якій притаманні незвичайні властивості. Наприклад, лід - твердий стан рідини, має питому вагу нижче, ніж сама вода, що зробило багато в чому можливим виникнення і розвиток життя на Землі. Крім того, в навколонауковому, та й науковому світі ведуться дискусії з приводу, яка вода швидше замерзає - гаряча або холодна. Той, хто доведе більш швидке замерзання гарячої рідини в певних умовах і науково доведе своє рішення, отримає від Британського королівського товариства хіміків нагороду в 1000 фунтів стерлінгів.

Історія питання

Про те, що при виконанні ряду умов гаряча вода по швидкості замерзання випереджає холодну, було помічено ще в Середньовіччі. Поясненню цього феномена витратили чимало зусиль Френсіс Бекон (Francis Bacon) і Рене Декарт (René Descartes). Однак, з точки зору класичної теплотехніки, цей парадокс пояснити неможливо, і про нього намагалися сором'язливо замовчувати. Поштовхом до продовження суперечок послужила кілька курйозна історія, що трапилася з танзанійським школярем Ераста Мпемби (Erasto Mpemba) в 1963 році. Одного разу під час уроку з приготування десертів в школі кухарів, хлопчик, відвернувшись на сторонні справи, не встиг охолодити суміш для морозива вчасно і сунув в морозильну камеру розчин цукру в молоці гарячим. На його здивування, продукт охолов трохи швидше, ніж у його товаришів по навчанню, дотримуються температурний режим приготування морозива.

Намагаючись усвідомити сутність явища, хлопчик звернувся до вчителя фізики, який, не вдаючись у подробиці, висміяв його кулінарні досліди. Однак Ераста відрізнявся завидною завзятістю і продовжив свої експерименти вже не на молоці, а на воді. Він переконався, що в ряді випадків замерзання гарячої води відбувається швидше, ніж холодної.

Вступивши до університету в Дар-ес-Саламі (University of Dar es Salaam), Ераста Мпемби відвідав лекцію професора Дениса Г. Осборна (Dennis G. Osborne). Після її закінчення студент спантеличив вченого проблемою про швидкість замерзання води в залежності від її температури. Д.Г. Осборн висміяв саму постановку питання, заявивши з апломбом, що будь-якому двієчнику відомо, що холодна вода замерзне швидше. Однак природну наполегливість юнаки дало про себе знати. Він уклав з професором парі, запропонувавши тут же, в лабораторії, провести експериментальну перевірку. Ераста помістив в морозилку два контейнери з водою, температура якої в одному була рівною 95 ° F (35 ° C), а в другому - 212 ° F (100 ° C). Яке ж було здивування професора і оточуючих «уболівальників», коли вода в другому контейнері замерзла швидше. З тих пір це явище отримало назву «Парадокс Мпемби».

Однак до теперішнього часу немає чіткої теоретичної гіпотези, що пояснює «Парадокс Мпемби». Не ясно, які зовнішні чинники, хімічний склад води, наявність в ній розчинених газів і мінеральних речовин впливають на швидкість замерзання рідин, що знаходяться при різних температурах. Парадоксальність «Ефекту Мпемби» в тому, що він суперечить одному з законів, відкритих ще І. Ньютоном, який свідчить, що час охолодження води прямо пропорційно різниці температур рідини і навколишнього середовища. І якщо всі інші рідини повністю підкоряються цим законом, то вода в ряді випадків є винятком.

Чому гаряча вода швидше замерзаєт

Існує кілька версій, чому гаряча вода замерзає швидше холодної. Основними з них вважаються:

• гаряча вода швидше випаровується, при цьому зменшується її обсяг, а менший об'єм рідини остигає швидше - при охолодженні води від + 100 ° С до 0 ° С об'ємні втрати при атмосферному тиску досягають 15%;
• інтенсивність теплообміну між рідиною і навколишнім середовищем тим вище, чим більша різниця температур, тому теплові втрати окропу проходять швидше;
• при охолодженні гарячої води на її поверхні утворюється корочка льоду, що перешкоджає повному промерзання рідини і її випаровуванню;
• при високій температурі води відбувається її конвекційне перемішування, що скорочує час замерзання;
• розчинені у воді гази знижують точку замерзання, відбираючи енергію на крісталлообразованія, - в гарячій воді розчинені гази відсутні.

Всі ці умови неодноразово піддавалися експериментальній перевірці. Зокрема, німецький вчений Давид Ауербах (David Auerbach) виявив, що температура кристалізації гарячої води трохи вище, ніж у холодній, що робить можливим більш швидке замерзання першої. Однак пізніше його досліди були піддані критиці і багато вчених переконані, що «Ефект Мпемби» про те, яка вода швидше замерзає - гаряча або холодна, можна відтворити тільки в певних умовах, пошуками і конкретизацією яких до теперішнього часу ніхто не займався.

Одним з моїх найулюбленіших предметів в школі була хімія. Якось раз викладач хімії дав нам дуже дивне і важке завдання. Він дав нам список питань, на які ми повинні були відповісти з точки зору хімії. На це завдання нам дали кілька днів і дозволили користуватися бібліотеками та іншими доступними джерелами інформації. Один з цих питань стосувався температури замерзання води. Я точно не пам'ятаю, як звучало питання, але мова йшла про те, що якщо взяти два дерев'яних відра однакового розміру, одне з гарячою водою, інше з холодною (з точно зазначеної температурою), і помістити їх в середу з певною температурою, яке з них замерзне швидше? Звичайно відразу ж напрошувався відповідь - відро з холодною водою, але нам здалося це дуже просто. Але цього було недостатньо, щоб дати повну відповідь, нам потрібно було довести це з хімічної точки зору. Незважаючи на всі мої роздуми і дослідження, я не зміг зробити логічного висновку. В цей день я навіть вирішив пропустити цей урок, тому я так і не дізнався рішення цієї загадки.

Пройшли роки, і я дізнався багато побутових міфів про температуру кипіння і замерзання води, і один міф свідчив: «гаряча вода замерзає швидше». Я переглянув безліч веб сайтів, але інформація була занадто суперечливою. І це були всього лише думки, необгрунтовані з точки зору науки. І я зважився провести власний досвід. Оскільки мені не вдалося знайти дерев'яні відра, я використовував морозильну камеру, плиту, трохи води і цифровий термометр. Про результати мого досвіду я розповім трохи пізніше. Спочатку я поділюся з вами деякими цікавими доводами з приводу води:

Гаряча вода замерзає швидше холодної. Більшість експертів стверджують, що холодна вода замерзне швидше, ніж гаряча. Але одне забавне явищ (так званий ефект Мембе), з незрозумілих причин, доводить протилежне: Гаряча вода замерзає швидше холодної. Одним з декількох пояснень є процес випаровування: якщо дуже гарячу воду помістити в холодне середовище, то вода почне випаровуватися (залишкова кількість води замерзне швидше). І відповідно до законів хімії це зовсім не міф, і найімовірніше саме це викладач хотів від нас почути.

Кип'ячена вода замерзає швидше водопровідної води. Незважаючи на попереднє пояснення, деякі експерти стверджують, що кип'ячена вода, охолола до кімнатної температури, повинна замерзнути швидше, тому що в результаті кипіння скорочується кількість кисню.

Холодна вода закипає швидше гарячої води. Якщо гаряча вода замерзає швидше, то, можливо, холодна вода швидше закипає! це суперечить здоровому глузду і вчені стверджують, що цього просто не може бути. Гаряча вода з крана насправді повинна закипати швидше, ніж холодна. Але, використовуючи гарячу воду для кип'ятіння, ви не економите енергію. Можливо ви і витратите менше газу або світла, але водонагрівач буде використовувати ту ж кількість енергії, яка необхідна для нагрівання холодної води. (З сонячною енергією справа йде трохи інакше). В результаті нагрівання води водонагрівачем, може з'явитися осад, тому вода буде нагріватися довше.

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

Але ось що вийшло у мене:

Холодна вода: я використовував три скляних склянки по 100 мл очищеної води: один стакан з кімнатною температурою (72 ° F / 22 ° C), один - з гарячою водою (115 ° F / 46 ° C), і один з кип'яченою (212 ° F / 100 ° C). Всі три склянки я помістив в морозильну камеру при температурі -18 ° C. І оскільки я знав, що вода не відразу перетворитися в лід, ступінь заморожування я визначав по «дерев'яному поплавця». Коли паличка, поміщена в центр склянки, більше не торкалася підстави, я вважав, що вода замерзла. Склянки я перевіряв кожні п'ять хвилин. І які мої результати? Вода в першому склянці замерзла через 50 хвилин. Гаряча вода замерзла через 80 хвилин. Кип'ячена - через 95 хвилин. Мої висновки: з огляду на умови в морозильній камері і воду, яку я використовував, мені не вдалося відтворити ефект Мембе.

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

Кип'ячена вода: я взяв літр води при кімнатній температурі і поставив її на вогонь. Вона закипіла за 6 хвилин. Потім я знову її охолодив до кімнатної температури і додав в її в гарячу. При такому ж вогні, гаряча вода закипіла за 4 години і 30 хвилин. Висновок: як і очікувалося, гаряча вода закипає значно швидше.

Кип'ячена вода (з сіллю): я додав 2 великі ложки харчової солі на 1 літр води. Вона закипіла через 6 хвилин 33 секунди, і як показав термометр досягла температури 102 ° C. Безсумнівно сіль впливає на температуру кипіння, але не сильно. Висновок: сіль у воді не сілбно 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 стакани могли бути неправильної форми, І т.д. Але що б не вийшло в лабораторних умовах, коли мова йде про заморожування або кип'ятінні води на кухні, найголовніше - це здоровий глузд.

ссилочку з цікавими фактами про водевсе 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 або чому гаряча вода замерзає швидше холодної? Ефект Мпемби (Парадокс Мпемби) - парадокс, який говорить, що гаряча вода при деяких умовах замерзає швидше, ніж холодна, хоча при цьому вона повинна пройти температуру холодної води в процесі замерзання. Даний парадокс є експериментальним фактом, що суперечить традиційним уявленням, згідно з якими при одних і тих же умовах більш нагрітого тіла для охолодження до деякої температури потрібно більше часу, ніж менш нагрітого тіла для охолодження до тієї ж температури. Цей феномен помічали свого часу Аристотель, Френсіс Бекон і Рене Декарт, проте лише в 1963 році танзанійський школяр Ераста Мпемби встановив, що гаряча суміш морозива замерзає швидше, ніж холодна. Будучи учнем Магамбінской середньої школи в Танзанії Ераста Мпемби робив практичну роботу по кухарської справи. Йому потрібно було виготовити саморобний морозиво - закип'ятити молоко, розчинити в ньому цукор, охолодити його до кімнатної температури, а потім поставити в холодильник для замерзання. Мабуть, Мпемби не був особливо старанним учнем і забарився з виконанням першої частини завдання. Побоюючись, що не встигне до кінця уроку, він поставив в холодильник ще гаряче молоко. На його подив, воно замерзло навіть раніше, ніж молоко його товаришів, приготоване за заданою технологією. Після цього Мпемби експериментував не тільки з молоком, а й зі звичайною водою. У всякому разі, вже будучи учнем Мквавской середньої школи він поставив запитання 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 однакових контейнера 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 незабаром в 1969 році вони разом з Мпемби опублікували результати своїх експериментів в журналі "Physics Education". З тих пір виявлений ними ефект називається ефектом Мпемби. До сих пір ніхто точно не знає, як пояснити цей дивний ефект. У вчених немає єдиної версії, хоча існує багато. Вся справа в різниці властивостей гарячої та холодної води, але поки не зрозуміло, які саме властивості відіграють роль в цьому випадку: різниця в переохолодженні, випаровуванні, формуванні льоду, конвекції або впливі розріджених газів на воду при різних температурах. Парадоксальність ефекту Мпемби в тому, що час, протягом якого тіло остигає до температури навколишнього середовища, має бути пропорційно різниці температур цього тіла і навколишнього середовища. Цей закон був встановлений ще Ньютоном і з тих пір багато разів підтверджувався на практиці. В даному ж ефекті вода з температурою 100 ° С остигає до температури 0 ° С швидше, ніж така ж кількість води з температурою 35 ° С. Проте, це ще не передбачає парадокс, оскільки ефекту 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 обсяг, а менший обсяг води з тієї 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 необхідна для охолодження. І по-друге, знижується температура через те, що зменшується теплота випаровування переходу з фази води в фазу пара. Різниця температур Через те, що різниця температур між гарячою водою і холодним повітрям більше - отже теплообмін в цьому випадку йде інтенсивніше і гаряча вода швидше охолоджується. Переохолодження Коли вода охолоджується нижче 0 С вона не завжди замерзає. При деяких умовах вона може зазнавати переохолодження, продовжуючи залишатися рідкою при температурах нижче температури точки замерзання. У деяких випадках вода може залишатися рідкою навіть при температурі -20 С. Це спричинено в тому, що для того, щоб почали формуватися перші кристали льоду потрібні центри кристаллообразования. Якщо їх немає в рідкій воді, тоді переохолодження триватиме до тих пір, поки температура не знизиться настільки, що кристали почнуть формуватися спонтанно. Коли вони почнуть формуватися в переохолоджених рідини, вони почнуть рости швидше, формуючи Ледово шугу, яка замерзаючи, буде утворювати лід. Гаряча вода найбільше схильна до переохолодження оскільки її нагрівання усуває розчинені гази і бульбашки, які в свою чергу, можуть служити центрами освіти кристалів льоду. Чому ж переохолодження змушує гарячу воду застигати швидше? У випадку з холодною водою, що не переохолоджується відбувається наступне. В цьому випадку тонкий шар льоду буде утворюватися на поверхні судини. Цей шар льоду буде діяти як ізолятор між водою і холодним повітрям і буде перешкоджати подальшому випаровуванню. Швидкість формування кристалів льоду в цьому випадку буде менше. У випадку з гарячою водою, яка піддається переохолодженню, переохолоджених 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 фактором у випадку з ефектом Мпемби. Конвекція Холодна вода починає замерзати зверху, погіршуючи тим самим процеси теплоизлучения і конвекції, а значить і убутку тепла, тоді як гаряча вода починає замерзати знизу. Пояснюється цей ефект аномалією густини води. Вода має максимальну щільність при 4 С. Якщо охолодити воду до 4 С і покласти її при більш низькій температурі, поверхневий шар води замерзне швидше. Тому що ця вода менш щільна ніж вода при температурі 4 С, вона залишиться на поверхні, формуючи тонкий холодний шар. При цих умовах тонкий шар льоду буде формуватися на поверхні води протягом короткого часу, але цей шар льоду буде служити ізолятором, що захищає нижні шари води, які будуть залишатися при температурі 4 С. Тому подальший процес охолодження буде проходити повільніше. У випадку з гарячою водою ситуація зовсім інша. Поверхневий шар води буде охолоджуватися більш швидше за рахунок випаровування і більшої різниці температур. Крім того, холодний шари води більш щільні, ніж шари гарячої води, тому шар холодної води буде опускатися вниз, піднімаючи шар теплої води на поверхню. Така циркуляція води забезпечує швидке падіння температури. Але чому цей процес не досягає точки рівноваги? Для пояснення ефекту Мпемби з цієї точки зору конвекції варто було б прийняти, що холодні і гарячі шари води розділені і сам процес конвекції триває після того, як середня температура води опуститься нижче 4 С. Однак, немає експериментальних даних, які підтверджували б цю гіпотезу, що холодні і 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 в воді при високій температурі нижче. Тому коли гаряча вода охолоджується, в ній завжди менше розчинених газів, ніж в не нагрітий холодній воді. Тому точка замерзання нагрітої води вище і вона замерзає швидше. Цей фактор іноді розглядається як головний при поясненні ефекту Мпемби, хоча ніяких експериментальних даних, що підтверджують цей факт немає. Теплопровідність Цей механізм може відігравати суттєву роль коли вода поміщається в морозильник холодильної камери в невеликих контейнерах. У цих умовах відмічено, що контейнер з гарячою водою протавали під собою лід морозильної камери, покращуючи тим самим тепловий контакт із стінкою морозилки і теплопровідність. В результаті чого, тепло відводиться від контейнера з гарячою водою швидше, ніж від холодного. У свою чергу контейнер з холодною водою не протавали під собою сніг. Всі ці (а також інші) умови вивчалися в багатьох експериментах, але однозначної відповіді на питання - які з них забезпечують стовідсоткове відтворення ефекту Мпемби - так і не було отримано. Так, наприклад, в 1995 році німецький фізик Давид Ауербах вивчав вплив переохолодження води на цей ефект. Він виявив, що гаряча вода, досягаючи переохолодженого стану, замерзає при більш високій температурі, ніж холодна, а значить швидше останньої. Зате холодна вода досягає переохолодженого стану швидше гарячої, компенсуючи тим самим попереднє відставання. Крім того, результати Ауербаха суперечили отриманим раніше даним, що гаряча вода здатна досягти більшого переохолодження через меншої кількості 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 можна тільки одне - відтворення цього ефекту істотно залежить від умов, в яких проводиться експеримент. Саме тому, що відтворюється він далеко не завжди. О. В. Мосін