Багатьма дослідниками висувалися та висуваються свої версії щодо того, чому гаряча водазамерзає швидше за холодну. Здавалося б, феномен – адже для того, щоб замерзнути, гарячій воді для початку потрібно охолонути. Однак факт залишається фактом, і вчені пояснюють його по-різному.
На даний момент існують кілька версій, які пояснюють цей факт:
- Оскільки випаровування у гарячій воді відбувається швидше, її обсяг зменшується. А замерзання меншої кількості води тієї ж температури відбувається швидше.
- Морозильна камера холодильника має снігову прокладку. Контейнер, де міститься гаряча вода, розтоплює сніг під собою. При цьому покращується тепловий контакт із морозилкою.
- Замерзання холодної води, на відміну гарячої, починається зверху. У цьому конвекція і тепловипромінювання, отже, теплова спад погіршуються.
- У холодній воді є центри кристалізації – розчинені у ній речовини. При невеликому їх вмісті у воді заледеніння утруднене, хоча в той же час можливе її переохолодження – коли за мінусової температури вона має рідкий стан.
Хоча заради справедливості можна сказати, що цей ефект спостерігається не завжди. Найчастіше замерзання холодної води відбувається швидше, ніж гарячої.
За якої температури вода замерзає
Чому взагалі відбувається замерзання води? У її складі міститься певна кількість мінеральних чи органічних частинок. Це, наприклад, можуть бути дуже дрібні частинки піску, пилу чи глини. При зниженні температури повітря ці частинки є центрами, навколо яких утворюються крижані кристали.
Роль ядер кристалізації можуть виконувати бульбашки повітря і тріщини в ємності, де міститься вода. На швидкість процесу перетворення води на лід багато в чому впливає кількість таких центрів – якщо їх багато, рідина замерзає швидше. За звичайних умов, з нормальним атмосферним тиском вода переходить у твердий стан з рідкого при температурі 0 градусів.
Суть ефекту Мпемби
Під ефектом Мпемби розуміють парадокс, суть якого в тому, що за певних обставин гаряча вода замерзає швидше за холодну. Цей феномен був помічений ще Аристотелем та Декартом. Проте тільки в 1963 році школяр з Танзанії Ераст Мпемба визначив, що гаряче морозиво замерзає за більш короткий час, ніж холодне. Такий висновок він зробив, виконуючи завдання з кухарської справи.
Він повинен був розчинити в закипілому молоці цукор і, охолодивши його, помістити для замерзання в холодильник. Зважаючи на все, Мпемба особливої старанністю не відрізнявся і першу частину завдання почав виконувати із запізненням. Тому він не став чекати остигання молока, і визначив його в холодильник гарячим. Він дуже здивувався, коли воно замерзло ще швидше, ніж у його однокласників, які виконували роботу відповідно до заданої технології.
Цей факт дуже зацікавив юнака, і він розпочав експерименти із простою водою. У 1969 році журнал Physics Education опублікував результати досліджень Мпемби та професора Денніса Осборна з університету в Дар-ес-Саламі. Описаному ефекту дали ім'я Мпемби. Однак і сьогодні феномен немає чіткого пояснення. Всі вчені сходяться на думці, що основна роль належить у цьому відмінностям властивостей охолодженої та гарячої води, проте яким саме – невідомо.
Сінгапурська версія
Фізиків одного із сінгапурських університетів також зацікавило питання, яка вода швидше замерзає – гаряча чи холодна? Команда дослідників під керівництвом Сі Чзана пояснила цей феномен саме властивостями води. Усім ще зі шкільної лави відомий склад води – атом кисню та два водневі атоми. Кисень певною мірою відтягує від водню електрони, тому молекула є певного роду «магніт».
Через війну певні молекули у питній воді трохи притягуються між собою об'єднуються зв'язком водню. Її міцність у багато разів нижча за ковалентний зв'язок. Сінгапурські дослідники вважають, що пояснення парадоксу Мпемби якраз у водневих зв'язках. Якщо молекули води розміщені між собою дуже щільно, така сильна взаємодія між молекулами здатна деформувати ковалентний зв'язок у середині самої молекули.
А ось при нагріванні води зв'язані молекули злегка віддаляються одна від одної. В результаті в середині молекул відбувається релаксація ковалентних зв'язків із віддачею зайвої енергії та переходом на нижчий енергетичний рівень. Це призводить до того, що гаряча вода починає пришвидшено охолоджуватися. Принаймні так показують теоретичні розрахунки, які провели сінгапурські вчені.
Моментальне заморожування води – 5 неймовірних трюків: Відео
У цій статті ми розглянемо питання, чому гаряча вода замерзає швидше за холодну.
Нагріта вода замерзає набагато швидше, ніж холодна! Це дивовижна властивість води, точне пояснення якому вчені не можуть знайти досі, 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 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 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 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 за нормальної температури 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.
Чи замислювалися ви коли не будь над питанням, чому вода нагріта до 82 гр.С замерзає швидше за холодну? Швидше за все ні, я навіть більше ніж впевнений, що вам і на думку не спадало питання — яка вода замерзає швидше за гарячу чи холодну?
Однак це дивовижне відкриття зробив звичайний африканський школяр Ераст Мпемба ще в 1963 році. Це був звичайний досвід цікавого хлопчика, звичайно він не зміг чітко витлумачити зміст свого і навіть вчені з усіх країн світу до 1966 року не могли дати чіткого і обґрунтованого. відповідь на запитання – чому гаряча водазамерзає швидше за холодну.
Чому гаряча вода замерзає за 4 градусів Цельсія, а холодна за 0.
У холодній воді багато розчиненого кисню, Саме він підтримує температуру замерзання води на рівні 0 градусів. Якщо з води видалити кисень, а саме це відбувається при нагріванні води, бульбашки повітря, розчинені у воді, як модно зараз говорити схлопуються, вода перетворюється на кригу не при нулі градусів як завжди, а вже за 4 °С. Саме розчинений у воді кисень розриває зв'язки між молекулами води, не даючи воді перейти з рідкого стану на твердий, просто перетвориться на
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 вченим, 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 питання: «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 в 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 університетуНью-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 морозильною камерою – це допомагає їй досягти своєї точки замерзання перш, ніж холодна водадосягне 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(Парадокс Мпемби) - парадокс, що 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 Аристотель, 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 роботу з кухарської справи. 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 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. 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 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 водоюі холодним повітрям більше - отже теплообмін у разі 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 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 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
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.
"Freezing of Hot and Cold Water", G.S. Kell в American Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.
"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, в 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, в American Journal of Physics, Vol. 64, No. 5, p 524; May, 1996.
