Ефект Мпемби або чому гаряча вода замерзає швидше холодної? Гаряча і холодна вода: секрети замерзання.

21.11.2017 11.10.2018 Олександр Фирца

« Яка вода замерзає швидше холодна або гаряча?»- спробуйте задати питання своїм знайомим, швидше за все більшість з них дадуть відповідь, що швидше замерзає холодна вода - і допустять помилку.

Насправді, якщо одночасно поставити в морозильну камеру два однакових за формою і обсягом посудини, в одному з яких буде холодна вода, а в іншому гаряча, то швидше замерзне саме гаряча вода.

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

Так чому ж гаряча вода обганяє холодну на шляху до замерзання? Спробуємо розібратися.

Історія спостережень і досліджень

Парадоксальний ефект люди спостерігали ще з давніх часів, але ніхто не надавав йому особливого значення. То чи не стикування по швидкості замерзання холодної та гарячої води відзначав у своїх записах Арестотеля, а також Рене Декарт і Френсіс Бекон. Незвичайне явище часто виявлялося в побуті.

Довгий час явище ніяк не вивчалось і не викликало особливого інтересу серед учених.

Початок вивчення незвичайного ефекту було покладено в 1963 році коли допитливий школяр з Танзанії - Ераста Мпемби, зауважив, що гаряче молоко для морозива замерзає швидше ніж холодне. У надії отримати пояснення причин виникнення незвичайного ефекту, молода людина задав питання свого вчителя фізики в школі. Однак учитель лише посміявся над ним.

Пізніше Мпемби повторив експеримент, проте в своєму досвіді він використовував вже не молоко, а воду і парадоксальний ефект знову повторився.

Через 6 років - в 1969 році Мпемби поставив це питання професору фізики Деннису Осборну приїхав в його школу. Професори зацікавило спостереження юнаки, в результаті був проведений експеримент, який підтвердив наявність ефекту, проте причин цього феномена встановлено не було.

З тих пір явище називали ефектом Мпемби.

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

Так в 2012 році британським Королівським хімічним товариством би оголошений конкурс гіпотез, що пояснюють ефект Мпемби. У конкурсі брали участь вчені з усього Світу, всього було зареєстровано 22 000 наукових робіт. Не дивлячись на настільки значну кількість статей, жодна з них не внесла ясності в парадокс Мпемби.

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

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

Крім цього, було висунуто ряд гіпотез, що описують швидкість циркуляції води, в залежності від температури. У багатьох дослідженнях було зроблено спробу встановити взаємозв'язок між матеріалом контейнерів в яких розташовувалась рідина. Дуже багато теорій здавалися досить правдоподібними, проте науково підтвердити їх не вдавалося через нестачу вихідних даних протиріччях в інших експериментах, або ж через те, що виявлені чинники були просто не можна порівняти зі швидкістю охолодження води. Деякі вчені в своїх роботах ставили під сумнів існування ефекту.

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

методи комп'ютерного моделювання показали наступні результати: чим вище температура води, тим більшим виявляється відстань між молекулами через те, що відразливі сили збільшуються. А отже водневі зв'язку молекул розтягуються, запасаюча більшу кількість енергії. При охолодженні молекули починають зближуватися один з одним, вивільняючи енергію з водневих зв'язків. При цьому віддача енергії супроводжується зниженням температури.

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

Не дивлячись на вичерпні відомості і численні експерименти, вчені мають намір продовжувати вивчення ефекту.

Ефект Мпемби в реальному житті

А ви року небудь замислювалися чому в зимовий час каток заливають гарячою водою, А не холодною? Як ви вже зрозуміли, роблять це тому, що каток залитий гарячою водою замерзне швидше, ніж якби його заливали холодною. З тієї ж причини гарячою водою заливають гірки в зимових льодових містечках.

Таким чином, знання про існування феномена дозволяє людям зекономити час при підготовці майданчиків для зимових видів спорту.

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

На те, яка вода швидше замерзає, гаряча або холодна, впливає безліч факторів, але сам по собі питання здається трохи дивним. Мається на увазі, і це відомо з фізики, що гарячій воді ще потрібен час для того, щоб охолонути до температури порівнюєш холодної води, щоб перетворитися в лід. Холодній воді цей етап можна пропустити, а, відповідно, за часом вона виграє.

Але відповідь на питання про те, яка вода замерзає швидше - холодна або гаряча - на вулиці в мороз, знає будь-який житель північних широт. По суті, по-науковому, виходить, що в будь-якому випадку холодна вода просто зобов'язана замерзнути швидше.

Так само подумав і вчитель фізики, до якого звернувся школяр Ераста Мпемби 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 над цим, але Дениссена Осборн, професор фізики, який свого часу заїхав в ту ж школу, де навчався Ераста, експериментально підтвердив наявність такого ефекту, хоча і пояснення тоді цього не знайшлося. У 1969 році в популярному науковому журналі вийшла спільна стаття цих двох людей, які описали цей своєрідний ефект.

З тих пір, до речі, питання про те, яка вода швидше замерзає - гаряча або холодна, має власну назву - ефект, або ж парадокс, Мпемби.

Питання виникало давно

Природно, що і раніше такий феномен мав місце бути, і він був згаданий в роботах інших вчених. Не тільки школяр цікавився цим питанням, але і свого часу про це думав Рене Декарт і навіть Аристотель.

Ось тільки підходи до вирішення даного парадоксу приступили шукати тільки в кінці двадцятого століття.

Умови для того, щоб стався парадокс

Як і у випадку з морозивом, не просто звичайна вода замерзає в процесі експерименту. Повинні бути присутніми певні умови для того, щоб почати сперечатися, яка вода замерзає швидше - холодна або гаряча. Що впливає на перебіг даного процесу?

Зараз, в 21 столітті, висунуто кілька варіантів, які можуть пояснити даний феномен. Те, яка вода замерзає швидше, гаряча або холодна, може залежати від того, що у є більша, ніж у холоді, швидкість випаровування. Таким чином, зменшується її обсяг, а при зменшенні обсягу і час замерзання стає менше, ніж якщо взяти аналогічний початковий обсяг холодної води.

Давно розморожували морозилку

На те, яка вода замерзає швидше, і чому це відбувається, може вплинути снігова підкладка, яка може мати місце в морозилці холодильника, використовуваного для експерименту. Якщо взяти два контейнери, ідентичних за обсягом, але в одному з них буде гаряча вода, а в іншому - холодна, контейнер з гарячою водою розплавить під собою сніг, тим самим покращуючи контакт теплового рівня зі стінкою холодильника. Контейнер з холодною водою такого зробити не може. Якщо ж такої підкладки зі снігом в холодильній камері немає, холодна вода повинна замерзнути швидше.

Верх - внизу

Також явище того, яка вода швидше замерзає - гаряча або холодна, пояснюється наступним чином. Слідуючи певним законам, холодна вода замерзати починає з верхніх шарів, коли гаряча робить це навпаки - починає замерзати від низу до верху. При цьому виходить, що холодна вода, маючи зверху холодну прошарок з уже місцями утворився льодом, погіршує собі таким чином процеси конвекції і теплового випромінювання, Тим самим пояснюється, яка вода замерзає швидше - холодна або гаряча. Фото з аматорських експериментів додається, і тут це чітко видно.

Тепло виходить назовні, прагнучи вгору, а там зустрічається з дуже охолодженим шаром. Вільного шляху для теплоизлучения немає, тому процес охолодження стає скрутним. Таких перешкод на своєму шляху абсолютно не має гаряча вода. Яка замерзає швидше - холодна або гаряча, від чого залежить ймовірний вихід, можна розширити відповідь тим, що будь-яка вода має певні речовини, розчинені в ній.

Домішки в 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 елементи в наявності тільки в гарячій воді, а холодна вода при цьому ними не володіє, тоді є можливість у гарячої води замерзнути раніше. Пояснюється це тим, що розчинені речовини в воді створюють центри кристалізації, і при малій кількості цих центрів перетворення води в тверде стан утруднено. Можливо навіть переохолодження води, в тому плані, що при мінусовій температурі вона буде перебувати в рідкому стані.

Але всі ці версії, видно, не до кінця влаштовували вчених і вони продовжували працювати над цим питанням. У 2013 році команда дослідників в Сінгапурі заявила, що їм вдалося розгадати вікову загадку.

Група з китайських вчених стверджує, що секрет цього ефекту полягає в кількості енергії, яка запасена між молекулами води в її зв'язках, іменованих водневими.

Розгадка від китайських вчених

Далі піде 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 О (кисню), утримуваних між собою ковалентними зв'язками.

Але також атоми водню однієї молекули притягуються і до сусідніх молекул, до їх кисневої складової. Саме такі зв'язки називаються водневими.

При цьому варто пам'ятати, що в той же час молекули води діють один на одного відразливе. Вчені відзначили, що при нагріванні води між її молекулами збільшується відстань, і цьому сприяють як раз відразливі сили. Виходить так, що займаючи одне 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 в гарячій воді, і її більше вивільнення при охолодженні до мінусових температур, відбувається швидше, ніж в холодній воді, у якій запас такої енергії менше. То яка вода замерзає швидше - холодна або гаряча? На вулиці і в лабораторії повинен відбуватися парадокс Мпемби, і гаряча вода повинна перетворюватися в лід швидше.

Але питання все ще відкрите

Існує лише теоретичне підтвердження даної розгадки - все це написано красивими формулами і здається правдоподібним. Але ось коли дані експериментів, яка вода швидше замерзає - гаряча або холодна, будуть поставлені в практичному сенсі, і їх результати будуть представлені, тоді і можна буде вважати питання парадоксу Мпемби закритим.

Британське Королівське хімічне товариство пропонує нагороду в 1 тисячу фунтів стерлінгів тому, хто зможе пояснити з наукової точки зору, чому в деяких випадках гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна.

«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 і Декарт міркували про неї », - сказав президент Британського Королівського хімічного товариства, професор Девід Філіпс, слова якого наводяться в прес-релізі Товариства.

Як поварчук з Африки переміг британського професора фізики

Це не першоквітневий жарт, а сувора фізична реальність. Нинішня наука, з легкістю оперує галактиками і чорними дірами, яка будує гігантські прискорювачі для пошуку кварків і бозонів, не може пояснити, як «працює» елементарна вода. Шкільний підручник однозначно стверджує, що для охолодження більш нагрітого тіла потрібно більше часу, ніж для охолодження тіла холодного. А ось для води даний закон дотримується не завжди. На цей парадокс звертав увагу ще Арістотель в 4 столітті до н. е. Ось що писав древній грек в книзі «Meteorologica I»: «Той факт, що вода нагрівається, сприяє її замерзання. Тому багато людей, коли вони хочуть швидше охолодити гарячу воду, спочатку ставлять її на сонці ... »У середні століття цей феномен намагалися пояснити Френсіс Бекон і Рене Декарт. На жаль, це не вдалося ні великим філософам, ні численним ученим, що розвивав класичну теплофізики, а тому про таке незручному факт надовго «забули».

І тільки в 1968 році «згадали» завдяки школяреві Ераста Мпемби з далекої від усякої науки Танзанії. Навчаючись в щколу кухарського мистецтва, в 1963 році 13-річний Мпемби 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. Мабуть, Мпемби ні старанним учнем і забарився. 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 всіма правилами.

Коли Мпемби поділився своїм відкриттям з учителем фізики, той підняв його на сміх перед усім класом. Мпемби запам'ятав образу. Через п'ять років, вже будучи студентом університету в Дар-ес-Саламі, він виявився на лекції відомого фізика Дениса Г. Осборна. Після лекції він поставив вченому питання: «Якщо ви візьмете два однакових контейнера з рівною кількістю води, один з температурою 35 ° C (95 ° F), а інший - 100 ° C (212 ° F), і помістіть їх в морозильник, то вода в гарячому контейнері замерзне швидше. Чому? » Можете собі уявити реакцію британського професора на питання юнаки з забутій Богом Танзанії. Він висміяв студента. Однак Мпемби був готовий до такої відповіді і викликав вченого на парі. Їх суперечка завершився експериментальною перевіркою, яка підтвердила правоту Мпемби і поразки Осборна. Так учень-поварчук вписав своє ім'я в історію науки, і відтепер цей феномен носить назву «ефекту Мпемби». Відкинути його, оголосити як би «неіснуючим» не виходить. Явище існує, і, як писав поет, «ні в зуб ногою».

Винні порошинки і розчинені речовини?

За минулі роки багато хто намагався розгадати таємницю замерзлої води. Було запропоновано цілий букет пояснень цього явища: випаровування, конвекція, вплив розчинених речовин - але жоден з цих чинників не можна визнати остаточним. Ряд учених присвятив ефект мпемби все життя. Співробітник кафедри радіаційної безпеки державного університету Нью-Йорка - Джеймс Браунрідж (James Brownridge) - в вільний час займається вивченням феномена ось уже впродовж десятиліття. Провівши сотні експериментів, учений стверджує, що має докази "провини" переохолодження. Браунрідж пояснює, що при 0 ° С вода лише переохолоджується, а замерзати починає, коли температура опускається нижче. Точка замерзання регулюється знаходяться у воді домішками - саме вони змінюють швидкість формування кристалів льоду. Домішки, а це пилинки, бактерії і розчинені солі, мають характерну для них температуру нуклеации, коли навколо центрів кристалізації формуються кристалики льоду. Коли в воді знаходяться відразу кілька елементів, температура замерзання залежить від того з них, який має найвищу температуру нуклеации.

Для досвіду Браунрідж взяв дві проби води однакової температури і помістив їх в морозильну камеру. Він виявив, що один з примірників завжди замерзає раніше іншого - імовірно, через різне поєднання домішок.

Браунрідж стверджує, що гаряча вода остигає швидше через більшої різниці між температурами води і морозильної камери - це допомагає їй досягти своєї точки замерзання перш, ніж холодна вода досягне своєї природної точки замерзання, яка нижче, по крайней мере, на 5 ° С.

Втім, міркування Браунрідж викликають багато питань. Тому у тих, хто зуміє по-своєму пояснити ефект Мпемби, є шанс поборотися за тисячу фунтів стерлінгів від Британського королівського хімічного товариства.

Привіт, дорогі любителі цікавих фактів. Сьогодні ми з вами поговоримо про. Але я думаю, що винесене в заголовок запитання може здатися просто абсурдним - але чи завжди слід безроздільно довірятися горезвісного « здоровому глузду», А не строго поставленому перевірочного досвіду. Давайте спробуємо розібратися, чому гаряча вода швидше замерзає ніж холодна?

Історична довідка

Що в питанні із заморожуванням холодної та гарячої води «не все чисто» згадувалося ще в працях Аристотеля, потім подібного ж роду замітки робили Ф. Бекон, Р. Декарт і Дж.Блек. В новітньої історії за даними ефектом закріпилася назва «парадокс Мпемби» - по імені школяра з Танганьїки Ераста Мпемби, який задав це ж питання заїжджому професору фізики.

Питання хлопчика виник не на порожньому місці, а з суто особистих спостережень за процесом охолодження сумішей для морозива на кухні. Зрозуміло, присутні там же однокласники разом зі шкільним учителем підняли Мпемби на сміх - однак після експериментальної перевірки особисто професором Д.Осборном бажання потішатися над Ераста у них «випарувалося». Більш того, Мпемби спільно з професором в 1969-му році в Physics Education було опубліковано детальний опис цього ефекту - і з тих пір вищезазначене назва закріпилася в науковій літературі.

У чому суть явища?

Постановка досвіду досить проста: при інших рівних умовах випробовуються однакові тонкостінні судини, в них - строго рівні кількості води, що відрізняються лише температурою. Судини завантажуються в холодильник, після чого засікається час до утворення льоду в кожному з них. Парадокс полягає в тому, що в посудині з самого початку більш гарячою рідиною це відбувається швидше.

Як це пояснює сучасна фізика?

Універсального пояснення парадокс не має, оскільки спільно протікає кілька паралельних процесів, внесок яких може різнитися від конкретних початкових умов - але з однаковим результатом:

• здатність рідини до переохолодження - спочатку холодна вода більш схильна до переохолодження, тобто залишається рідкою тоді, коли її температура знаходиться вже нижче точки замерзання
• прискорене охолодження - пар від гарячої води трансформується в мікрокристали льоду, які при падінні назад прискорюють процес, працюючи як додатковий «зовнішній теплообмінник»
• ефект ізоляції - на відміну від гарячої, холодна вода замерзає зверху, що призводить до зменшення тепловіддачі конвекцією і випромінюванням

Є і ряд інших пояснень ( останній раз конкурс на кращу гіпотезу британське Королівське Хімічне Товариство проводило недавно, в 2012-му) - але однозначної теорії для всіх випадків комбінацій вхідних умов не існує до цих пір ...

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

Нагріта вода замерзає набагато швидше, ніж холодна! Це дивна властивість води, точне пояснення якому вчені не можуть знайти до цих пір, відомо з найдавніших часів. Наприклад, ще у 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 по імені Ераста Мпемби в 60-і роки XX століття. Мнемба помітив дивний ефект, коли готував морозиво, і звернувся за поясненнями до свого викладача фізики - доктору Денису Осборну. Мпемби і доктор Осборн експериментували з водою різної температури і зробили висновок: майже кипляча вода починає замерзати набагато швидше, ніж вода кімнатної температури. Інші вчені проводили власні експерименти і щоразу отримували схожі результати.

Пояснення фізичного явища

Загальновизнаного пояснення, чому ж так відбувається, поки немає. Багато дослідників припускають, що вся справа в переохолодженні рідини, яке відбувається, коли її температура опускається нижче температури замерзання. Інакше кажучи, якщо вода замерзає при температурі нижче 0 ° С, то переохолоджена вода може мати температуру, наприклад, -2 ° С і при цьому залишатися рідкою, не перетворюючись на лід. Коли ми намагаємося заморозити холодну воду, є ймовірність, що вона спочатку переохолоджуватиметься, а затвердіє тільки через якийсь час. У нагрітій воді відбуваються інші процеси. Її більш швидке перетворення в лід пов'язують з конвекцією.

Конвекція - це фізичне явище, при якому теплі нижні шари рідини піднімаються, а верхні, остиглі, опускаються.