bleat.ru → Рвота

Какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная. Эффект Мпембы или почему горячая вода замерзает быстрее холодной

Вода - довольно простое вещество с химической точки зрения, однако при этом она обладает рядом необычных свойств, которые не перестают удивлять ученых. Ниже предложены несколько фактов, о которых мало кто знает.

1. Какая вода замерзает быстрее - холодная или горячая?

Возьмем две емкости с водой: в одну нальем горячую, а в другую — холодную воду, и поместим их в морозильную камеру. Горячая вода замерзнет быстрее холодной, хотя по логике вещей, первой должна была превратиться в лед холодная вода: ведь горячей воде надо сначала остыть до температуры холодной, а потом уже превращаться в лед, в то время как холодной воде остывать не надо. Почему же так происходит?

В 1963 году один танзанский студент по имени Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba) замораживая приготовленную смесь для мороженого, заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним. К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.

Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба ». Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.

Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.

2. Она способна замерзать мгновенно

Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C … за исключением некоторых случаев! Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания. Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.

Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.

Заметьте, что «сверхнагретая» вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.

3. 19 состояний воды

Не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды? Если вы ответили три: твердое, жидкое, газообразное, то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.

Помните разговор про сверхохлажденную воду? Так вот, что бы вы ни делали, при температуре -38 °C даже самая чистая сверхохлажденная вода внезапно превратится в лед. Что же произойдет при дальнейшем понижении температуры? При -120 °C с водой начинает происходить что-то странное: она становится сверхвязкой или тягучей, как патока, а при температуре ниже -135 °C она превращается в «стеклянную» или «стекловидную» воду – твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.

4. Вода удивляет физиков

На молекулярном уровне вода удивляет ещё больше. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, «видят» на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.

Оказалось, что на скорости одной аттосекунды (10 -18 секунд) имеет место необычный квантовый эффект, и химическая формула воды вместо H2O , становится H1.5O!

5. Память воды

Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды. Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием «память воды », согласно которой вода на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.

Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen’s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию. Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта «памяти воды ». Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена «памяти воды » продолжаются.

Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в этой статье. Например, плотность воды меняется в зависимости от температуры (плотность льда меньше плотности воды); вода обладает довольно большой величиной поверхностного натяжения; в жидком состоянии вода представляет собой сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров, и именно поведение кластеров влияет на структуру воды и т.д.

Об этих и о многих других неожиданных особенностях воды можно прочитать в статье «Аномальные свойства воды », автором которой является Мартин Чаплин, профессор Лондонского университета.

Это действительно так, хотя звучит невероятно, т.к в процессе замерзанияпредварительно нагретая вода должна пройти температуру холодной воды. Между тем, этот эффектшироко 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:

Горячая вода быстрее испаряется, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
Наличие снеговой подкладки. Контейнер с горячей водой протаивает под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт с охлаждающей поверхностью. Холодная вода не протаивает под собой снег. При отсутствии снеговой подкладки контейнер с холодной водой должен замерзать быстрее.
Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде — растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров в холодной воде превращение воды в лед затруднено и возможно даже ее переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру.

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

Почему горячая вода испаряется быстрее? Учеными, практически доказано, что стакан горячей воды замерзает быстрее, чем холодной. Ученые это явление объяснить не могут по той причине, что они не понимают сущности явлений: теплоты и холода! Теплота и холод, это физическое ощущение, которое вызывает взаимодействие частиц Материи, в виде встречного сжатия магнитных волн, которые движутся со стороны пространства и от центра земли. Поэтому, чем больше разность потенциалов, этого магнитного напряжения, тем быстрее осуществляется энергообмен методом встречного проникновения одних волн в другие. То есть, методом диффузии! В ответ на мою статью, один оппонент пишет:1) « ..Горячая вода БЫСТРЕЕ испаряется, в результате чего ее остается меньше, поэтому она быстрее замерзает» Вопрос! Какая энергия заставляет воду быстрее испаряться? 2) В моей статье ведется разговор о стакане, а не о деревянном корыте, которое в качестве контраргумента приводит оппонент. Что не корректно! Отвечаю на вопрос: «ПО КАКОЙ ПРИЧИНЕ ВОДА В ПРИРОДЕ ИСПАРЯЕТСЯ?» Магнитные волны, которые всегда движутся от центра земли в пространство, преодолевая встречное давление магнитных волн сжатия, (которые всегда движутся из пространства к центру земли)при этом, распыляют частицы воды, так как двигаясь в пространство, они увеличиваются в объеме. То есть, расширяются! В случае преодоления магнитных волн сжатия, эти пары воды сжимаются(конденсируются) и под действием этих магнитных сил сжатия, вода в виде осадков возвращается на землю! С уважени6м! Алексей Мишнев. 6 октября 2012 года.

Алексей Мишнев. , 06.10.2012 04:19

Что такое температура. Температура- это степень электромагнитного напряжения магнитных волн с энергией сжатия и расширения. В случае равновесного состояния этих энергий, температура тела или вещества находится в стабильном состоянии. При нарушении равновесного состояния этих энергий, в сторону энергии расширения, тело или вещество увеличивается в объеме пространства. В случае превышения энергии магнитных волн в сторону сжатия, тело или вещество уменьшается в объеме пространства. Степень электромагнитного напряжения определяется по степени расширения или сжатия эталонного тела. Алексей Мишнев.

Моисеева Наталия , 23.10.2012 11:36 | ВНИИМ

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".

Юрий Кузнецов , 04.12.2012 12:32

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).

Влад , 11.12.2012 03:42

Сломал мозг...

Антон , 04.02.2013 02:02

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.

Гудрат , 11.03.2013 10:12 | METAK

В холодной воде уже есть атомы азота и расстояния между молекулами воды ближе чем в горячей воде. То есть, вывод: Горячая вода вбирает в себя атомы азота быстрее и при этом он быстро замерзает чем холодная вода, - это сравнимо с закалкой железа, так как горячая вода превращается в лёд и горячее железо твердеет при быстром охлаждении!

Владимир , 13.03.2013 06:50

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.

Алексей Мишнев , 21.03.2013 11:50

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 , 31.05.2013 02:59

Мне кажется, что вы забыли одну истину - "Наука начинается там, где начинаются измерения". Какова температура "горячей" воды? Какова температура "холодной" воды? В статье об этом ни слова не говориться. Отсюда можно сделать вывод - вся статья это чушь собачья!

Григорий , 04.06.2013 12:17

Додик, прежде, чем статью чушью называть, надо думать научиться, хоть немного. А не только измерять.

Дмитрий , 24.12.2013 10:57

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.

Иван , 10.01.2014 05:53

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 , 10.01.2014 06:10

По поводу замечаний в статье о заливке катков горячей водой и бачков омывателя стёкол холодной. Тут всё просто с точки зрения элементарной физики. Каток заливают горячей водой как раз потому, что замерзает она медленнее. Каток должен быть ровным и гладким. Попробуйте залить его холодной водой - получите бугры и "наплывы", т.к. вода будет _быстро_ замерзать не успевая растечься равномерным слоем. А горячая и успеет ровным слоем растечься, и уже имеющиеся ледяные и снежные бугорки растопит. С омывателем тоже не сложно: заливать чистую воду в мороз нет смысла - на стекле она замерзает (даже горячая); а горячая незамерзающая жидкость может привести к растрескиванию холодного стекла, плюс на стекле будет иметь повышенную температуру замерзания из-за ускоренного испарения спиртов ещё на пути к стеклу (с принципом работы самогонного аппарата все знакомы? - спирт испаряется, вода остаётся).

Иван , 10.01.2014 06:34

А по сути явления, глупо спрашивать, почему два разных эксперимента в разных условиях протекают по-разному. Если эксперимент ставить чисто, то нужно брать горячую и холодную воду одинакового химического состава - берём предварительно охлаждённый кипяток из того же чайника. Наливаем в одинаковые сосуды (например, тонкостеные стаканы). Ставим не на снег, а на одинаковое ровное сухое основание, например, деревянный стол. И не в микроморозилку, а в достаточно объёмный термостат - я проводил опыт пару лет назад на даче, когда на улице была стабильная морозная погода около -25С. Вода кристаллизуется при определённой температуре после отдачи теплоты кристаллизации. Гипотеза сводится к утверждению, что горячая вода остывает быстрее (это так, в соответсвии с классической физикой скорость теплообмена пропорциональна разности температур), но сохраняет повышенную скорость остывания даже когда её температура сравняется с температурой холодной воды. Спрашивается, чем вода, остывшая до температуры +20С на улице отличается от точно такой же воды, которая остыла до температуры +20С за час до этого, но в комнате? Классическая физика (кстати, основанная не на болтовне в курилке, а на сотнях тысяч и миллионах экспериментов) говорит: да ничем, дальнейшая динамика остывания будет одинаковой (только точки +20 кипяток достигнет позже). И эксперимент показывает то же: когда в стакане с первоначально холодной водой уже прочная корка льда, горячая вода даже и не думала замерзать. P.S. К комментариям Юрия Кузнецова. Наличие определённого эффекта можно считать установленным, когда описаны условия его возникновения и он стабильно воспроизводится. А когда имеем непонятно какие эксперименты с неизвестно какими условиями, строить теории их объяснения преждевременно и это ничего не даёт с научной точки зрения. P.P.S. Ну а комменты Алексея Мишнева читать без слёз умиления невозможно - человек живёт в каком-то выдуманном мире, не имеющем отношения к физике и реальным экспериментам.

Григорий , 13.01.2014 10:58

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?

Иван , 14.02.2014 01:51

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.

Павел , 18.02.2014 09:59

мда, ребят... статья для "Спид Инфо" ... Без обид... ;) Иван во всем прав...

Григорий , 19.02.2014 12:50

Иван, я согласен, что сайтов околонаучной тематики, публикующих непроверенный сенсационный материал сейчас много.? 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.

Моисеева Н.П. , 19.02.2014 03:04

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.

Ильдар , 24.02.2014 04:12 | нет смысла все перечислять

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.

СЕРЫЙ , 15.03.2014 05:30

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

никита , 06.06.2014 04:27 | кар

а как сделать чтобы вода осталось холодная ане не была теплой когда едешь в машине!

алексей , 03.10.2014 01:09

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!

Евгений , 27.12.2014 08:40

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.

серый ТОМСК , 01.03.2015 10:55

СЕРЫЙ, 15.03.2014 05:30 - продолжение То что вы знаете о температуре - это не всё . Там есть ещё кое-что. Если правильно составить физическую модель температуры то она станет ключём описания энергетических процессов от диффузии, плавления и кристаллизации и до таких масштабов как повышение температуры с повышением давлениея, повышение давления с повышением температуры. Даже физическая модель энергии Солнца станет понятна из вышеописанного. Я зимой. . в начале весны 20013 года посмотрев на температурные модели составил общую температурную модель. Через пару месяцев я вспомнил про температурный парадокс и тут я понял... что моя температурная модель описывает и парадокс Мпемба. Это было в мае - июне 2013 года. На год опоздал но это к лучшему. Моя физическая модель стоп кадр и её можно промотать как вперёд так и назад и в ней есть моторика активности, та самая активность в которой всё движется. У меня 8 классов школы и 2 года училища с повтором темы. 20 лет прошло. Так что всякого рода физические модели знаменитых учёных приписать не могу, как и формулы. Так что извините.

Андрей , 08.11.2015 08:52

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: [email protected]

Андрей , 08.11.2015 08:58

Прошу прощения я дал не тот почтовый ящик вот правильный email: [email protected]

Виктор , 23.12.2015 10:37

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)

Бекжан , 28.01.2016 09:18

Если бы даже кто то раскрыл эти законы мира которое связаны с эти эффектом,то он бы не писал тут.С моей точки зрении было бы не логично раскрыть его секреты для пользователям интернета,когда он может его опубликовать на знаменитых научных журналах и доказать сам лично перед народом.Так что,что тут будет писаться про этот эффект,все это большинство не логичные.)))

Алекс , 22.02.2016 12:48

привет Экспериментаторам Вы правы, говоря, что Наука начинается там, где... не Измерения, а Вычисления. "Эксперимент" - вечный и непременный аргумент для лишенных Воображения и Линейного мышления Всех обидел, теперь по делу Е= mc2 - все помнят? Скорость молекул, вылетающих из холодной воды в атмосферу определяет объем уносимой ими из воды энергии (остывание - потеря энергии) Скорость молекул из горячей воды гораздо выше и уносимая энергия - в квадрате (скорость остывания оставшейся массы воды) Вот и все, если уйти от "экспериментаторства" и вспомнить Базовые основы Науки

Владимир , 25.04.2016 10:53 | Метео

В те времена, когда тосол был редкостью, воду из системы охлаждения автомобилей в неотапливаемом гараже автохозяйства после рабочего дня сливали, чтобы не разморозить блок цилиндров или радиатор- иногда и то и другое вместе. Утром заливали горячую воду. В лютый мороз двигатели запускались без проблем. Как то за отсутствием горячей воды залили воду из под крана. Вода тут же замерзла. Эксперимент дорого обошёлся- ровно столько, сколько стоит купить и заменить блок цилиндров и радиатор автомобиля ЗИЛ-131. Кто не верит-пусть проверит. а Мпемба экспериментировал на мороженом. В мороженом кристаллизация идёт иначе, чем в воде. Побробуйте откусить зубами кусочек мороженого и кусочек льда. Скорее всего оно не замерзало,а загустевало в результате остывания. А пресная вода-будь она горячая или холодная замерзает при 0*С. Холодная вода-быстро,а горячей время на остывание нужно.

Wanderer , 06.05.2016 12:54 | to Алекс

"с" - скорость света в вакууме E=mc^2 - формула, выражающая эквивалентность массы и энергии

Альберт , 27.07.2016 08:22

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.

Макс , 19.11.2016 05:07

Проверено: на ямале в мороз труба с гтрячей водой перемерзает и ее приходиться отогревать, а холодная нет!

Артем , 09.12.2016 01:25

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!

Александр Сергеев , 21.08.2017 10:52

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.

Завлаб , 22.08.2017 05:31

Victor , 27.10.2017 03:52

"Это действительно так." - если в школе не понял, что такое теплоёмкость и закон сохранения энергии. Проверить просто - для этого нужны: желание, голова, руки, вода, холодильник и будильник. А катки, как пишут специалисты, намораживают (заливают) холодной водой, а тёплой - выравнивают порезанный лёд. И в бачок омывателя зимой нужно лить незамерзающую жидкость, а не воду. Вода в любом случае замёрзнет, причём холодная - быстрее.

Ирина , 23.01.2018 10:58

ученые всего Мира бьются над этим парадоксом,начиная со времен Аристотеля,а Виктор,Завлаб и Сергеев оказались самыми умными.

Денис , 01.02.2018 08:51

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.

Завлаб , 01.03.2018 08:58 | Завлаб

Ирина:) , "ученые всего Мира" на этим "парадоксом" не бьются, для настоящих учёных этого "парадокса" просто нет - это легко проверяется в хорошо воспроизводимых условиях. "Парадокс" появился из-за невоспроизводимых экспериментов африканского мальчика Мпембы и раздут ему подобными "учеными" :)

Многими исследователями выдвигались и выдвигаются свои версии относительно того, почему горячая вода замерзает быстрее холодной. Казалось бы, парадокс – ведь для того, чтобы замёрзнуть, горячей воде для начала нужно остыть. Однако факт остаётся фактом, и учёные объясняют его по-разному.

Основные версии

На данный момент существуют несколько версий, которые объясняют данный факт:

Поскольку испарение в горячей воде происходит быстрее, её объем уменьшается. А замерзание меньшого количества воды той же температуры происходит быстрее.
Морозильная камера холодильника имеет снеговую прокладку. Контейнер, в котором содержится горячая вода, растапливает снег под собой. При этом улучшается тепловой контакт с морозилкой.
Замерзание холодной воды, в отличие от горячей, начинается сверху. При этом конвекция и теплоизлучение, а, следовательно, тепловая убыль ухудшаются.
В холодной воде имеются центры кристаллизации – растворенные в ней вещества. При небольшом их содержании в воде заледенение затруднено, хотя в то же время возможно её переохлаждение – когда при минусовой температуре она имеет жидкое состояние.

Хотя справедливости ради можно сказать, что данный эффект наблюдается не всегда. Очень часто замерзание холодной воды происходит быстрее, чем горячей.

При какой температуре вода замерзает

Почему вообще происходит замерзание воды? В её составе содержится определённое количество минеральных либо органических частиц. Это, например, могут быть очень мелкие частицы песка, пыли или глины. При снижении температуры воздуха эти частицы являются центрами, вокруг которых образовываются ледяные кристаллы.

Роль ядер кристаллизации могут также выполнять пузырьки воздуха и трещины в ёмкости, где содержится вода. На скорость процесса превращения воды в лёд во многом влияет количество таких центров – если их много, жидкость замерзает быстрее. При обычных условиях, с нормальным атмосферным давлением, вода переходит в твердое состояние из жидкого при температуре 0 градусов.

Суть эффекта Мпембы

Под эффектом Мпембы понимают парадокс, суть которого в том, что при определённых обстоятельствах горячая вода замерзает быстрее холодной. Этот феномен был замечен ещё Аристотелем и Декартом. Тем не менее только в 1963 году школьник из Танзании Эрасто Мпемба определил, что горячее мороженое замерзает за более короткое время, чем холодное. Такой вывод он сделал, выполняя задание по поварскому делу.

Он должен был растворить в закипевшем молоке сахар и, охладив его, поместить для замерзания в холодильник. Судя по всему, Мпемба особым усердием не отличался и первую часть задания начал выполнять с опозданием. Поэтому он не стал дожидаться остывания молока, и определил его в холодильник горячим. Он очень сильно удивился, когда оно замерзло ещё быстрее, чем у его одноклассников, которые выполняли работу в соответствии с заданной технологией.

Этот факт очень заинтересовал юношу, и он начал эксперименты с простой водой. В 1969 году журнал Physics Education опубликовал результаты исследований Мпембы и профессора Денниса Осборна из университета в Дар-Эс-Саламе. Описанному ими эффекту дали имя Мпембы. Однако и сегодня феномену нет чёткого объяснения. Все учёные сходятся во мнении, что основная роль принадлежит в этом отличиям свойств охлаждённой и горячей воды, однако каким именно – неизвестно.

Сингапурская версия

Физиков одного из сингапурских университетов также заинтересовал вопрос, какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная? Команда исследователей под руководством Си Чзана объяснила этот парадокс именно свойствами воды. Всем ещё со школьной скамьи известен состав воды – атом кислорода и два водородных атома. Кислород в некоторой мере оттягивает от водорода электроны, поэтому молекула являет собой определенного рода «магнит».

В итоге определённые молекулы в воде немного притягиваются между собой и объединяются связью водорода. Её прочность во много раз ниже ковалентной связи. Сингапурские исследователи считают, что объяснение парадокса Мпембы как раз в водородных связях. Если молекулы воды размещены между собой очень плотно, то такое сильное взаимодействие между молекулами способно деформировать ковалентную связь в середине самой молекулы.

А вот при нагревании воды связанные молекулы слегка удаляются друг от друга. В результате в середине молекул происходит релаксация ковалентных связей с отдачей лишней энергии и переходом на низший энергетический уровень. Это приводит к тому, что горячая вода начинает ускоренно охлаждаться. По крайней мере, так показывают теоретические расчеты, которые провели сингапурские учёные.

Моментальная заморозка воды – 5 невероятных трюков: Видео

В 1963 году школьник из Танзании по имени Эрасто Мпемба задал своему учителю глупый вопрос - почему в его морозилке теплое мороженое замерзает быстрее, чем холодное?

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое – вскипятить молоко, растворить в нём сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник ещё горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы». После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой.

Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: «Если взять два одинаковых контейнера с равными объёмами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом – 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?» Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале «Physics Education». С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.

Вам интересно узнать почему так происходит? Буквально несколько лет назад ученым удалось объяснить данное явление …

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. 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 ещё 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.

С тех пор высказывались разные версии, одна из которых звучала следующим образом: часть горячей воды сначала просто испаряется, а потом, когда осталось меньшее её количество, вода застывает быстрее. Эта версия, в силу своей простоты, стала самой популярной, но учёных удовлетворяла не полностью.

Ныне команда исследователей из Технологического университета Наньян в Сингапуре (Nanyang Technological University) во главе с химиком Си Чжаном (Xi Zhang) заявила, что им удалось разрешить вековую загадку о том, почему тёплая вода застывает быстрее, чем холодная. Как выяснили китайские специалисты, секрет кроется в количестве энергии, запасённой в водородных связях между молекулами воды.

Как известно, молекулы воды состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода, удерживаемых вместе ковалентными связями, что на уровне частиц выглядит как обмен электронами. Другой известный факт заключается в том, что атомы водорода притягиваются к атомам кислорода из соседних молекул - при этом образуются водородные связи.

В это же время молекулы воды в целом отталкиваются друг от друга. Учёные из Сингапура заметили: чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды − молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии, как известно, и означает охлаждение.

Вот какие предположения выдвигаются учеными:

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, из-за испарения понижается её температура.

Разница температур

Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше – следовательно, теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.

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 этого эффекта 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: на её поверхности образуется тонкий слой льда, который действует как изолятор между водой и холодным воздухом, и тем самым препятствует 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 поместить её в среду с более низкой температурой, 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 быстро за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодные 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 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. Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос – какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы – так и не было получено. 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 переохлаждённого 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 её кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли. Утверждать пока можно только одно – воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.

А вот как говорят, наиболее вероятная причина.

Как пишут химики в своей статье, которую можно найти на сайте препринтов arXiv.org, в горячей воде водородные связи натягиваются сильнее, чем в холодной. Таким образом, оказывается, что в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, а значит, её высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. По этой причине застывание происходит быстрее.

На сегодняшний день учёные разгадали эту загадку лишь теоретически. Когда они представят убедительные доказательства своей версии, то вопрос о том, почему горячая вода застывает быстрее холодной, можно будет считать закрытым.

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.

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое - вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: "Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом - 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?" Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале "Physics Education". С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы .

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

Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше - следовательно теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.

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.

Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос - какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы - так и не было получено.

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.

Утверждать пока можно только одно - воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.