Почему кипяток быстрее замерзает чем холодная вода
Парадокс Мпембы, или почему кипяток замерзает быстрее холодной воды
Если спросить у простого человека, что замерзнет первым кипяток или вода комнатной температуры, то большинство из них уверенно выберут последний вариант и будут неправы.
Почему же так происходит? Может ли замерзнуть кипящая вода? В чем причина парадоксального явления и как его объясняют ученые?
Может ли замерзнуть?
Ответ простой – да, может. Более того, кипящая вода замерзнет быстрее холодной.
Что быстрее: кипящая или холодная H2O?
Учеными проведено множество экспериментов и доказано, что первой кристаллизуется кипящая вода.
Если в морозилку одновременно поставить две емкости одинакового объема и формы с кипятком и простой водой, то первым превратится в лед именно кипяток.
Хотя, если следовать логике, он должен сначала остыть, а уже потом кристаллизоваться. Но это не так.
Стоит отметить, что подобный эффект наблюдался людьми давно. На это указывал в своих записях Аристотель, интересовался явлением Р.Декарт. Однако тщательно изучением данного вопроса в то время мало кто занимался, оно не особо интересовало ученых.
Основательному изучению темы дал старт любознательный танзанский школьник, который в быту обнаружил, что разогретая жидкость, будь то молоко или вода, кристаллизуется быстрее.
Почему?
Полностью объяснить и понять явление пока не получилось, но споров среди ученых по данной теме ведется достаточно.
Однако некоторые гипотезы все же имеют место:
Есть и другие версии, объясняющие парадоксальное явление. Одно из них было выдвинуто ученым из Вашингтона Д.Катцем. По его мнению, в процессе кипячения вода из «жесткой» превращается в «мягкую».
Часть веществ, такие как магний и бикарбонат кальция, при нагревании оседают и не мешают кристаллизации. Поэтому процесс замерзания кипятка идет в разы быстрее обычной.
Как применяется этот парадокс в реальной жизни?
Эффект с успехом реализуется людьми в повседневной жизни и в быту. Например, каток заливают именно горячей, а не холодной водой для ускорения замерзания поверхности. По такому же принципу готовятся зимние горки.
Используется непонятное явление и в промышленном производстве. Благодаря ему сокращено время заморозки некоторых продуктов и материалов, в составе которых присутствует вода.
Видео по теме статьи
Почему кипяток замерзает быстрее холодной воды, подскажет видео:
Заключение
Эффект Мпемба интересен, поэтому его продолжают изучать. Исследования ведутся сразу в нескольких направлениях. Ученые обязательно выяснят причину необъяснимого парадокса и позволят людям расширить возможности его использования.
Еще одно объяснение эффекта Мпембы (это про почему кипяток замерзает быстрее холодной воды)
От переводчика: всю жизнь мучился вопросом, а тут на тебе- опять объяснили.
Краткое содержание: из-за наличия водородных связей в молекулах воды происходит изменение конфигурации ковалентных связей О-Н, с запасанием в них дополнительной энергии, выделяющейся при охлаждении и работающей как дополнительный подогрев, мешающий замерзанию. В горячей воде водородные связи растянуты, ковалентные не напряжены, запас энергии мал- остывание и замерзание идет быстрее. Существует некоторое характерное время tau, необходимое на формирование водородных связей, если процесс охлаждения будет идти медленно- то эффект Мпембы исчезнет. Если процесс охлаждения идет относительно быстро (до десятков минут)- то эффект выражен. Вероятно, должна быть и какая-то критическая температура, начиная с которой эффект появляется, но в статье это не отражено.
На КДПВ приведено изображение из оригинальной статьи, глядя на которое читатель должен со всей ясностью увидеть, что в ковалентных связях запасается энергия, которая затем может выделяться в виде дополнительного тепла, мешая остывать холодной воде.
История вопроса
Аристотель первым отметил, что горячая вода замерзает быстрее холодной, но химики всегда отказывались объяснять этот парадокс. До сегодняшнего дня.
Вода одно из самых обычных веществ на Земле, но в тоже время одно из самых загадочных. Например, как и у большинства жидкостей, ее плотность растет при охлаждении. Однако, в отличие от остальных, ее плотность достигает максимума при температуре 4С, а затем начинает уменьшаться вплоть до температуры кристаллизации.
В твердой фазе вода имеет несколько меньшую плотность, из-за чего лед плавает на поверхности воды. Это одна из причин существования жизни на Земле — если бы лед был плотнее воды, то при замерзании он опускался бы на дно озер и океанов, что сделало бы невозможным многие типы химических процессов, которые делают жизнь возможной.
Итак, существует странный эффект Мпембы, названный в честь танзанийского студента, который обнаружил, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее, чем холодная в морозилке школьной кухни где-то в начале 1960-х. (На самом деле этот эффект отмечался множеством исследователей в истории, начиная с Аристотеля, Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта).
Эффект Мпембы заключается том, что горячая вода замерзает быстрее холодной. Этот эффект измерялся во множестве случаев с различными объяснениями, изложенными далее. Одна из идей заключается в том, что горячие сосуды имеют лучший тепловой контакт с морозильной камерой и отводят тепло более эффективно. Другая- в том, что теплая вода испаряется быстрее, а так как этот процесс- эндотермический (идет с поглощением теплоты)- то он ускоряет замерзание.
Ни одно из этих объяснений не выглядит правдоподобным, поэтому реальное объяснение до сих пор отсутствовало.
Новое объяснение эффекта (теперь-то уж точно правильное)
Сегодня Зи Чанг из Наньянгского технологического университета Сингапура и несколько его коллег предоставили таковое. Эти ребята утверждают, что эффект Мпембы является результатом уникальных свойств различных типов связи, удерживающих молекулы воды вместе.
Так что же такого в этих связях? Каждая молекула воды состоит из сравнительно большого атома кислорода, соединенного с двумя маленькими атомами водорода обычной ковалентной связью. Но если поместить рядом несколько молекулы воды, то водородные связи тоже начнут играть важную роль. Это происходит из-за того, что атомы водорода одной молекулы располагаются вблизи кислорода другой молекулы, и взаимодействуют с ним. Водородные связи намного слабее ковалентных (прим. пер.
в 10 раз), но сильнее чем Ван-дер-Ваальсовы силы, которые использует геккон для прилипания к вертикальным стенам.
Химики давно знают о важности этих связей. Например, точка кипения воды намного выше, чем у других жидкостей с похожими молекулами, из-за того, что водородные связи удерживают молекулы вместе.
Но в последние годы химики все более интересуются другими ролями, которые могут играть водородные связи. Например, молекулы воды в тонких капиллярах формируют длинные цепочки, удерживаемые водородными связями. Это очень важно для растений, у которых испарение воды через мембраны листьев эффективно протаскивает цепь молекул воды от корней вверх.
Теперь Зи с соавторами утверждают, что водородные связи так же объясняют эффект Мпембы. Их ключевая идея состоит в том, что водородные связи приводят к более плотному контакту молекул воды, и когда это происходит, естественное отталкивание между молекулами приводит к сжатию ковалентных связей и накоплению энергии в них.
Однако, когда жидкость нагревается, расстояние между молекулами увеличивается, а водородные связи растягиваются. Это также позволяет увеличить длину ковалентных связей и таким образом- отдать обратно энергию, накопленную в них. Важным элементом теории является тот факт, что процесс, при котором ковалентные связи отдают накопленную в них энергию- эквивалентен охлаждению!
В действительности- этот эффект усиливает обычный процесс охлаждения. Таким образом, горячая вода должна охлаждаться быстрее холодной, рассуждают авторы. И это именно то, что мы наблюдаем в эффекте Мпембы.
Почему новое объяснение лучше предыдущих?
Эти ребята рассчитали величину дополнительного охлаждения, и показали, что она в точности соответствует наблюдаемой разнице в экспериментах по измерению разности скоростей охлаждения горячей и холодной воды. Вуаля! Это интересный взгляд на сложные и загадочные свойства воды, которые все еще заставляют химиков не спать по ночам. Несмотря на то, что идея Зи и соавторов убедительна, она может оказаться очередной ошибкой теоретиков, которую другие физики должны будут опровергнуть. Это оттого, что теории не хватает прогностической силы (по крайней мере- в оригинальной статье).
Зи и соавторам необходимо воспользоваться своей теорией для предсказания новых свойств воды, которые не выводятся из обычных рассуждений. Например, если ковалентные связи укорачиваются- это должно приводить к возникновению каких-то новых измеряемых свойств воды, которые не должны были бы проявляться в противном случае. Открытие и измерение таких свойств было бы последней вишенкой на торте, которой не хватает теории в ее текущем виде.
Итак, несмотря на то, что парни, возможно, неплохо объяснили эффект Мпембы, им необходимо чуток поднапрячься, чтобы убедить в этом остальных.
Как бы то ни было, теория у них интересная.
P.S. в 2016 один из соавторов — Чанг Солнце (Chang Q. Sun) совместно с Йи Солнцем (Yi Sun) опубликовали более полное изложение предложенной теории, с рассмотрением поверхностных эффектов, конвекции, диффузии, излучения и других факторов- и вроде бы наблюдают хорошее согласие с экспериментом (Springer).
Литература
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox
почему «опять объяснили»- а потому что уже было:
Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Эффект Мпембы
«Какая вода замерзает быстрее холодная или горячая?» — попробуйте задать вопрос своим знакомым, скорее всего большинство из них ответят, что быстрее замерзает холодная вода — и допустят ошибку.
На самом деле, если одновременно поставить в морозильную камеру два одинаковых по форме и объёму сосуда, в одном из которых будет холодная вода, а в другом горячая, то быстрее замёрзнет именно горячая вода.
Подобное утверждение может показаться абсурдным и неразумным. Если следовать логике, то горячая вода должна сначала остыть до температуры холодной, а холодная в этой время должна уже уже превратится в лёд.
Так почему же горячая вода обгоняет холодную на пути к замерзанию? Попробуем разобраться.
История наблюдений и исследований
Парадоксальный эффект люди наблюдали ещё с давних времён, но никто не придавал ему особого значения. Так не состыковки по скорости замерзания холодной и горячей воды отмечал в своих записях Арестотель, а также Рене Декарт и Френсис Бэкон. Необычное явление часто проявлялось в быту.
Долгое время явление никак не изучалось и не вызывало особого интереса среди учёных.
Начало изучения необычного эффекта было положено в 1963 году когда любознательный школьник из Танзании — Эрасто Мпемба, заметил, что горячее молоко для мороженного замерзает быстрее чем холодное. В надежде получить объяснение причин возникновения необычного эффекта, молодой человек задал вопрос своему учителю физики в школе. Однако учитель лишь посмеялся над ним.
Позднее Мпемба повторил эксперимент, однако в своём опыте он использовал уже не молоко, а воду и парадоксальный эффект вновь повторился.
Спустя 6 лет — в 1969 году Мпемба задал этот вопрос профессору физики Деннису Осборну приехавшему в его школу. Профессора заинтересовало наблюдение юноши, в итоге был проведён эксперимент, который подтвердил наличие эффекта, однако причин данного феномена установлено не было.
С тех пор явление называли эффектом Мпембы.
За всю историю научных наблюдений было выдвинуто множество гипотез о причинах возникновения феномена.
Так в 2012 году британским Королевским химическим обществом бы объявлен конкурс гипотез, объясняющих эффект Мпембы. В конкурсе участвовали учёные со всего Мира, всего было зарегистрировано 22 000 научных работ. Не смотря на столь внушительное количество статей, ни одна из них не внесла ясности в парадокс Мпембы.
Наиболее распространённой была версия согласно которой, горячая вода замерзает быстрее, так как она просто быстрее испаряется, её объём становится меньше, и по мере уменьшения объёма, скорость её остывания увеличивается. Самая распространённая версия в итоге была опровергнута так как был проведён эксперимент, в котором было исключено испарение, а эффект тем не менее подтверждался.
Другие учёные считали, что причина эффекта Мпембы заключается в испарении растворённых в воде газов. По их мнению, в процессе нагревания испаряются растворённые в воде газы, за счёт чего она обретает более высокую плотность чем холодная. Как известно, повышение плотности приводит к изменению физических свойств воды (увеличению теплопроводности), а следовательно и увеличению скорости охлаждения.
Помимо этого, был выдвинут ряд гипотез, описывающих скорость циркуляции воды, в зависимости от температуры. Во многих исследованиях была предпринята попытка установить взаимосвязь между материалом контейнеров в которых располагалась жидкость. Очень многие теории казались весьма правдоподобными, однако научно подтвердить их не удавалось из-за недостатка исходных данных противоречиях в других экспериментах, или же из-за того, что выявленные факторы были просто не сопоставимы со скоростью охлаждения воды. Некоторые учёные в своих работах ставили под сомнение существование эффекта.
В 2013 году, исследователи из Технологического университета Наньян в Сингапуре заявили, что разгадали загадку эффекта Мпембы. Согласно проведённому ими исследованию, причина феномена кроется в том, что количество энергии, запасённой в водородных связях между молекулами холодной и горячей воды существенно отличается.
Методы компьютерного моделирования показали следующие результаты: чем выше температура воды, тем большим оказывается расстояние между молекулами из-за того, что отталкивающие силы увеличиваются. А следовательно водородные связи молекул растягиваются, запасая большее количество энергии. При охлаждении молекулы начинают сближаться друг с другом, высвобождая энергию из водородных связей. При этом отдача энергии сопровождается понижением температуры.
В октябре 2017 года Испанские физики в ходе очередного исследования выяснили, что большую роль в формировании эффекта играет именно выведение вещества из равновесия (сильный нагрев перед сильным охлаждением). Они определили условия при которых вероятность проявления эффекта максимальна. Помимо этого, ученые из Испании подтвердили существование обратного эффекта Мпембы. Они выявили, что при нагревании более холодный образец может достичь высокой температуры быстрее, чем теплый.
Не смотря на исчерпывающие сведения и многочисленные эксперименты, учёные намерены продолжать изучение эффекта.
Эффект Мпембы в реальной жизни
А вы года нибудь задумывались почему в зимнее время каток заливают горячей водой, а не холодной? Как вы уже поняли, делают это потому, что каток залитый горячей водой замёрзнет быстрее, чем если бы его заливали холодной. По той же причине горячей водой заливают горки в зимних ледовых городках.
Таким образом, знание о существовании феномена позволяет людям сэкономить время при подготовке площадок для зимних видов спорта.
Помимо этого, эффект Мпембы иногда используется и в промышленности — для сокращения времени заморозки продуктов, веществ и материалов, содержащих воду.
Тест на эрудицию
Оцените насколько разносторонне вы развиты, пройдите
тест на эрудицию!
Эффект Мпембы или почему горячая вода замерзает быстрее холодной?
Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.
Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.
До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах.
Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.
Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько объяснений эффекта Мпембы:
Испарение
Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100 С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0 С.
Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, снижается температура из-за того, что уменьшается теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара.
Разница температур
Переохлаждение
Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20 С.
Причина этому эффекту в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд.
Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда.
Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается происходит следующее. В этом случае тонкий слой льда будет образовываться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор между водой и холодным воздухом и будет препятствовать дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх.
Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда.
Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.
Конвекция
Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.
Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4 С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее.
В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры.
Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С.
Однако, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.
Растворённые в воде газы
Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.
Теплопроводность
Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.
Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание.
Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли.
О. В. Мосин
Литературные источники:
«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.
«The Final Word», New Scientist, 2nd December 1995.
Категории статей
Двадцать второй год – взгляд из будущего
А ведь наше настоящее, для людей, живших сто лет назад, было будущим. Далее
Дыхание картошки
Овощи продолжают жизненный цикл даже после сбора урожая. Какие процессы идут в картошке? Далее
Грибы против пластика
Ученые проводят исследования по разложению пластика с помощью микроорганизмов и грибов. Далее
Ученые ставят диагноз планете
Cтолько углекислого газа, как сейчас, в атмосфере не было последние 2 млн лет, метана и закиси азота — 800 тыс. лет. Далее
Природный регулятор температуры колибри
Учитывая огромную скорость и частоту крыльев, птицы должны нагреваться до температур, несовместимых с жизнью. Далее
Популярные статьи
Польза и вред инфракрасного обогревателя (323949)
Среди электрических обогревателей, которые мы используем в быту, наиболее популярными сейчас становятся инфракрасные нагреватели. Они очень широко рекламируются в Интернете и в газетах. Говорят, что они намного эффективнее масляных радиаторов и тепловентиляторов. Меньше потребляют энергии, не сжигают кислород и т.д. Главное – они совершенно не вредные, никакого отрицательного воздействия на организм человека не оказывают. Далее
Почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная? (210219)
Это действительно так, хотя звучит невероятно, т.к в процессе замерзания предварительно нагретая вода должна пройти температуру холодной воды. Парадокс известен в мире, как «Эффект Мпембы». Далее
Вредно ли разогревать пищу в микроволновке? (199295)
Контролируйте температуру приготовления мяса! (181551)
При приготовлении сырого мяса, особенно, домашней птицы, рыбы и яиц необходимо помнить, что только нагревание до надлежащей температуры убивают вредные бактерии. Далее
451 градус по Фаренгейту, температура возгорания бумаги? (167332)
451 градус по Фаренгейту. Это название знаменитой книги Рэя Брэдбери. На языке оригинала звучит так: ‘Fahrenheit 451: The Temperature at which Book Paper Catches Fire, and Burns’. Действительно ли при этой температуре начинают гореть книги? Далее
Основные разделы
Почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?
Это действительно так, хотя звучит невероятно, т.к в процессе замерзания предварительно нагретая вода должна пройти температуру холодной воды. Между тем, этот эффект широко используется. Например, катки и горки зимой заливают горячей, а не холодной водой. Специалисты советуют автомобилистам заливать зимой в бачок омывателя холодную, а не горячую воду. Парадокс известен в мире, как «Эффект Мпембы».
Этот феномен упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году на него обратили внимание профессора физики и попытались исследовать. Все началось с того, что танзанийский школьник Эрасто Мпемба заметил, что подслащенное молоко, которое он использовал для приготовления мороженного, застывает быстрее, если оно было предварительно нагрето и выдвинул предположение, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы».
К счастью, однажды в школе побывал Деннис Осборн, профессор физики из университета Дар-эс-Салама. И Мпемба обратился к нему с тем же вопросом. Профессор был настроен менее скептически, сказал, что он не может судить о том, чего никогда не видел, и по возвращении домой попросил сотрудников провести соответствующие эксперименты. Похоже, они подтвердили слова мальчика. Во всяком случае, в 1969 году Осборн рассказал о работе с Мпембой в журнале «англ. Physics Education». В том же году Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета опубликовал статью с описанием явления в «англ. American Journal of Physics».
Есть несколько вариантов объяснения этого парадокса:
Недавно было опубликовано еще одно объяснение. Д-р Джонатан Катц (Jonathan Katz) из Вашингтонского университета исследовал это явление и пришел к выводу, что важную роль в нем играют растворенные в воде вещества, которые при нагревании осаждаются.
Под растворенными веществами д-р Катц подразумевает бикарбонаты кальция и магния, которые содержатся в жесткой воде. Когда воду нагревают, эти вещества осаждаются, вода становится «мягкой». Вода, которая никогда не нагревалась, содержит эти примеси, она «жесткая». По мере ее замерзания и образования кристаллов льда концентрация примесей в воде увеличивается в 50 раз. Из-за этого понижается точка замерзания воды.
Мне это объяснение не кажется убедительным, т.к. не надо забывать, что эффект был обнаружен в опытах с мороженным, а не с жесткой водой. Скорее всего причины явления теплофизические, а не химические.
Пока однозначного объяснения парадокса Мпембы не получено. Надо сказать, что некоторые ученые не считают этот парадокс заслуживающим внимания. Однако это очень интересно, что простой школьник добился признания физического эффекта и получил популярность из-за своей любознательности и настойчивости.
Добавлено в феврале 2014 г.
Заметка была написана в 2011 г. С тех пор появились новые исследования эффекта Мпембы и новые попытки его объяснения. Так, в 2012 г. Королевское химическое общество Великобритании объявило международный конкурс на разгадку научной тайны “Эффект Мпембы” с призовым фондом 1000 фунтов. Дедлайн был установлен 30 июля 2012 года. Победителем стал Никола Бреговик из лаборатории университета Загреба. Он опубликовал свой труд, в котором анализировал предыдущие попытки объяснения этого явления и пришел к выводу, что они не убедительны. Предложенная им модель основана на фундаментальных свойствах воды. Желающие могут найти работу по ссылке http://www.rsc.org/mpemba-competition/mpemba-winner.asp
Исследования на этом не завершились. В 2013 г. физики из Сингапура теоретически доказали причину эффекта Мепембы. Работу можно найти по ссылке http://arxiv.org/abs/1310.6514.
Похожие по тематике статьи на сайте:
Другие статьи раздела
Комментарии:
Алексей, Вы говорите о какой-то статье, в которой изложены Ваши соображения о понятии температуры. Но ее никто не читал. Дайте, пожалуйста, ссылку. Вообще, Ваши взгляды на физику очень своеобразные. Никогда не слышала об «электромагнитном расширении эталонного тела».
Предлагается гипотеза, что это работает межмолекулярный резонанс и порождаемое им пондеромоторное притяжение между молекулами. В холодной воде молекулы двигаются и колеблются хаотически, с разной частотой. При нагреве воды, с повышением частоты колебаний, их диапазон сужается (уменьшается разница частот от жидкой горячей воды до точки парообразования), частоты колебаний молекул приближаются друг к другу, вследствие чего между молекулами возникает резонанс. При охлаждении этот резонанс частично сохраняется, угасает не сразу. Попробуйте прижать одну из двух струн гитары, находящихся в резонансе. Теперь отпустите — струна опять начнет вибрировать, резонанс восстановит ее колебания. Так и в замораживаемой воде наружные охлаждаемые молекулы пытаются потерять амплитуду и частоту колебаний, но «теплые» молекулы внутри сосуда «вытаскивают» колебания назад, выступают в роли вибраторов, а наружные — резонаторов. Между вибраторами и резонаторами и возникает пондеромоторное притяжение*. Когда пондеромоторная сила становится больше силы, вызванной кинетической энергией молекул (которые не только вибрируют, но и двигаются линейно), происходит ускоренная кристаллизация — «Эффект Мпемба». Пондеромоторная связь очень зыбкая, Мпемба-эффект сильно зависит от всех сопутствующих факторов: объема замораживаемой воды, характера ее разогрева, условий замораживания, температуры, конвекции, условий теплообмена, насыщения газом, вибрации холодильного агрегата, вентиляции, примесей, испарения и пр. Возможно, даже от освещения… Поэтому эффект имеет массу объяснений и его, порой, трудно воспроизвести. По той же «резонансной» причине кипяченая вода закипает быстрее некипяченой — резонанс некоторое время после кипячения сохраняет интенсивность колебаний молекул воды (потеря энергии при охлаждении в основном приходится на потерю кинетическую энергии линейного движения молекул). При интенсивном нагреве молекулы-вибраторы меняются ролями с молекулами-резонаторами в сравнении с замораживанием — частота вибраторов меньше частоты резонаторов, а это означает, что между молекулами возникает не притяжение, а отталкивание, что и ускоряет переход в другое агрегатное состояние (пара).
1.Неужели это пондеромоторное притяжение на столько велико, что влияет на процесс теплообмена? 2. Значит ли это, что при нагреве всех тел до определенной температуры их структурные частицы вступают в резонас? 3. вследствии чего при охлаждении этот резонанс исчезает? 4. Это Ваше предположение? Если есть источник, укажите. 5. По этой теории форма сосуда будет играть важную роль, и если он будет тонким и плоским, то разница во времени замерзания будет не велика, т.е. можно это проверить.
а может так: плотность горячей воды и льда меньше плотности холодной воды, и поэтому воде не надо изменять свою плотность, теряя на этом какое-то время и она замерзает.
Прежде, чем рассуждать о резонансах, притяжениях и колебаниях частиц, надо понять и ответить на вопрос: Какие силы заставляют колебаться частицы? Так как, без кинетической энергии, не может быть сжатия. Без сжатия, не может быть расширения. Без расширения, не может быть кинетической энергии! Когда,начинаете рассуждать о резонансе струн,Вы сперва приложили усилие, что бы одна из этих струн начала колебаться! Рассуждая о притяжении, Вы в первую очередь должны указать силу, которая заставляет эти тела притягиваться! Мной утверждается, что все тела сжимаются электромагнитной энергией атмосферы и которая сжимает все тела, вещества и элементарные частицы с силой 1,33 кг. не на см2, а на элементарную частицу.Так как, давление атмосферы, не может быть избирательным!Не путать, с количеством силы!
Додик, прежде, чем статью чушью называть, надо думать научиться, хоть немного. А не только измерять.
Молекулы горячей воды двигаются быстрее чем в холоде, из-за этого происходит более плотный контакт с окружающей средой, они как бы впитавают весь холод быстро замедляясь.
Удивляет появление подобной анонимной статьи на этом сайте. Статья совершенно ненаучная. Как автор, так и комментаторы наперебой пускаются в поиски объяснения феномена, не удосужившись выяснить, а наблюдается ли феномен вообще и если наблюдается, то при каких условиях. Более того, нет даже договорённости о том, что собственно наблюдаем! Так автор настаивает на необходимости объяснения эффекта быстрого замерзания именно горячего мороженого, хотя из всего текста (и слов «эффект был обнаружен в опытах с мороженным») следует, что сам он подобных опытов не ставил. Из перечисленных в статье вариантов «объяснения» явления видно, что описываются совершенно разные эксперименты, поставленные в разных условиях с разными водными растворами. Как суть объяснений, так и сослагательное наклонение в них наводят на мысль, что не проводилась даже элементарная проверка высказанных идей. Кто-то случайно услышал курьёзную историю и походя высказал своё умозрительное заключение. Извините, но это не физическое научное исследование, а разговор в курилке.
Иван, к я понимаю, Вы опровергаете эффект Мпембы? Его не существует, как показывают Ваши эксперименты? Почему же он так известен в физике, и многие пытаются его объяснить?
Добрый день, Григорий! Эффект нечисто поставленного эксперимента существует. Но, как понимаете, это не повод искать новые закономерности в физике, а повод совершенствовать мастерство экспериментатора. Как я уже отмечал в комментариях, во всех упомянутых попытках объяснить «эффект Мпембы» исследователи даже не могут чётко сформулировать, что же именно и при каких условиях они измеряют. И Вы хотите сказать, что это физики-экспериментаторы? Не смешите. Эффект известен не в физике, а в околонаучных обсуждениях на разных форумах и блогах, коих сейчас море. Как реальный физический эффект (в смысле как следствие каких-то новых физических законов, а не как следствие неверной интерпретации или просто миф) его воспринимают люди, далёкие от физики. Так что нет причин говорить как о едином физическом эффекте о результатах разных экспериментов, поставленных в совершенно разных условиях.
Иван, я согласен, что сайтов околонаучной тематики, публикующих непроверенный сенсационный материал сейчас много. Но не слишком ли голословно Вы критикуете статью и этот конкретный сайт Temperatures.ru? Ведь эффект Мпембы до сих пор исследуют. Причем исследуют ученые из университетов. Например, в 2013 г. этот эффект исследовала группа из Технологического университета в Сингапуре. Посмотрите по ссылке http://arxiv.org/abs/1310.6514. Они считают, нашли объяснение этому эффекту. Не буду подробно писать о сути открытия, но по их мнению эффект связан с разницей энергий, запасенных в водородных связях.
Для всех, интересующихся исследованиями эффекта Мпембы, я немного дополнила материал статьи и привела ссылки, по которым можно ознакомиться с новейшими результатами (см. текст). Спасибо за комментарии.
Если этот эффект Мпембы действительно имеет место, то объяснение надо искать, я думаю в молекулярном устройстве воды. Вода (как мне стало известно из научно-популярной литературы) существует не отдельными молекулами H2O, а кластерами из нескольких молекул (даже десятков). При повышении температуры воды скорость движения молекул увеличивается, кластеры разбиваются друг об друга и валентные связи молекул не успевают собрать большие кластеры. На формирование кластеров уходит чуть больше времени, чем на снижение скорости движения молекул. А поскольку кластеры мельче, то и формирование кристаллической решётки происходит быстрее. В холодной воде, судя по всему, крупные достаточно устойчивые кластеры препятствуют образованию решётки, требуется некоторое время на их разрушение. Сам видел по телевизору любопытный эффект, когда спокойно стоячая в банке холодная вода несколько часов на холоде оставалась жидкой. Но как только банку взяли в руки, то есть чуть стронули с места, вода в банке сразу же кристаллизовалась, стала непрозрачной, и банка лопнула. Ну поп, показавший этот эффект, объяснял это тем, что вода была освящена. Кстати, оказывается, вода сильно изменяет свою вязкость в зависимости от температуры. Нам, как существам крупным, это незаметно, а на уровне мелких (мм и меньше) рачков, а тем более бактерий, вязкость воды является весьма существенным фактором. Эта вязкость, я думаю, тоже задаётся размерами водяных кластеров.
всё вокруг что мы видим это поверхностные характеристики ( свойства ) так что мы принимаем за энергию только то что можем измерить или доказать существование любым способом иначе тупик. данный феномен эффект Мпембы может обьяснить только простая обьёмная теория которая обьединит все физические модели в единую структуру взаимодействия. на самом деле всё просто
а как сделать чтобы вода осталось холодная ане не была теплой когда едешь в машине!
А вот еще одно «открытие», на ходу. Вода в пластиковой бутылке намного быстрее замерзает с открытой пробкой. Ради забавы ставил эксперимент много раз на сильном морозе. Эффект очевидный. Привет теоретикам!
Принцип испарительного охладителя. Берем две герметично закрытые бутылки с холод и горяч водой. Ставим на мороз. Холодная вода замерзает быстрее. Теперь берем эти же бутылки с холод и горяч водой открываем и ставим на мороз. Горячая вода замерзнет быстрее холодной. Если мы возьмем два тазика с холод и горяч водой то горячая вода замерзнет намного быстрее. Это связано с тем что мы увеличиваем контакт с атмосферой. Чем интенсивнее испарение тем быстрее происходит падение температуры. Тут надо упомянуть фактор влажности. Чем ниже влажность тем сильнее испарение и сильнее охлаждение.
Вообще у меня есть мысль о том почему горячая вода замерзает быстрей холодной воды. И в моих объяснениях всё очень просто если вам интересно то пишите мне в email: isarev.andrey@mail.ru
Прошу прощения я дал не тот почтовый ящик вот правильный email: andrey.isarev@yandex.ru
Мне кажется все проще, снег у нас выпадает, это испарившийся газ, охлажденный, дак может в мороз потому и остывает быстрее горячая, что она испаряется и тут же далеко не поднимаясь кристаллизуется, а вода в газообразном состоянии остывает быстрее чем в жидком)
Сначала аналогия с твердыми телами (процесс испарения отсутствует). Недавно спаивал медные водопроводные трубы. Процесс происходит нагреванием газовой горелки до температуры плавления припоя. Время разогрева одного стыка с муфтой составляет примерно одну минуту. Спаял один стык с муфтой и через пару минут сообразил, что спаял неправильно. Понадобилось немного прокрутить трубу в муфте. Стал снова разогревать горелкой стык и, к удивлению, понадобилось минуты 3-4, чтобы разогреть стык до температуры плавления. Как же так!? Ведь труба всё ещё горячая и, казалось бы, нужно гораздо меньше энергии, чтобы нагреть её до температуры плавления, но всё оказалось наоборот. Всё дело в теплопроводности, которая у уже прогретой трубы существенно выше и граница между прогретой и холодной трубой за две минуты успела сдвинуться далеко от места стыка. Теперь про воду. Будем оперировать понятиями горячий и полу нагретый сосуд. В горячем сосуде образуется узкая граница температурного раздела между горячими, сильно подвижными частицами и малоподвижными, холодными, которая относительно быстро перемещается от периферии к центру, потому что на этой границе быстрые частицы быстро отдают свою энергию (охлаждаются) частицами по ту сторону границы. Так как объём наружных холодных частиц больше, то быстрые частицы, отдавая свою тепловую энергию, не могут существенно разогреть наружные холодные частицы. Поэтому процесс остывания горячей воды происходит относительно быстро. Полу нагретая же вода обладает гораздо меньшей теплопроводностью и ширина границы между полу нагретыми и холодными частицами существенно шире. Смещение к центру такой широкой границы происходит значительно медленнее, чем в случае с горячим сосудом. В итоге горячий сосуд остывает быстрее теплого. Думаю, нужно проследить в динамике процесс остывания разно температурной воды разместив несколько датчиков температуры от середины до края сосуда.
Проверено: на ямале в мороз труба с гтрячей водой перемерзает и ее приходиться отогревать, а холодная нет!
Сложно, но я думаю что холодная вода плотнее горячей еще лучше кипяченой и тут проходит ускорение по охлождению и т.е. горячая вода доходит до температуры холодной и обгоняет ее, а если учитывать то что горячая вода замерзает снизу а не с верху как написанно выше то это на много ускоряет процесс!
Нет такого эффекта. Увы. В 2016 году вышла подробная статья по теме в Nature: https://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect Из нее ясно, что при аккуратном проведении экспериментов (если образцы теплой и холодной воды одинаковы во всем, кроме температуры) эффект не наблюдается.
Александру Сергееву РЕСПЕКТ за ссылку. Ну наконец-то нашлись умные люди переставшие наводить тень на плетень. и совсем не увы. Нет такого эффекта. Есть только или разные условия охлаждения или разные состав воды.
Все правильно в статье написано. Но причина несколько другая. В процессе кипячения из воды выпаривается растворённый в ней воздух следовательно по мере охлаждения кипятка в итоге его плотность будет меньше чем у сырой воды той же температуры. Других причин для разной теплопроводности кроме разной плотности нет.
Берем две резинки, растягиваем обе, причем одну больше другой (аналогия с внутренней энергией холодной и теплой воды) одновременно отпускаем один конец резинок. Какая резинка сожмется быстрее?
Только что сама провела этот опыт. Поставила в морозилку две совершенно одинаковые чашки с горячей и холодной водой. Холодная замёрзла гораздо быстрее. Горячая ещё оставалась чуть тёплой. Что не так в моем опыте?
Вы правы, от условий эксперимента многое зависит. Но если бы эффекта не наблюдалось вообще, то не было бы и исследований, и публикаций в серьезных журналах. Вы до конца дочитали заметку? Об ю-тюбовских видео здесь речи нет.