Коя вода замръзва по-бързо - топла или студена. Защо горещата вода замръзва по-бързо от студената?

Изглежда ясно, че студената вода замръзва по-бързо от горещата вода, тъй като при равни условия горещата вода отнема повече време, за да се охлади и впоследствие да замръзне. Въпреки това, хиляди години наблюдения, както и съвременни експерименти, показват, че обратното също е вярно: при определени условия топла водазамръзва по-бързо от студа. Научният канал Sciencium обяснява този феномен:

Както е обяснено във видеото по-горе, феноменът, при който горещата вода замръзва по-бързо от студената вода, е известен като ефекта на Мпемба, кръстен на Ерасто Мпемба, студент от Танзания, който през 1963 г. прави сладолед като част от училищен проект. Учениците трябваше да доведат сместа от сметана и захар до кипене, да я оставят да изстине и след това да я сложат във фризера.

Вместо това Ерасто постави сместа си веднага, гореща, без да чака да изстине. В резултат на това след 1,5 часа неговата смес вече беше замразена, но смесите на други ученици не бяха. Заинтригуван от феномена, Мпемба започва да изучава въпроса с професора по физика Денис Осборн и през 1969 г. те публикуват статия, в която се казва, че топлата вода замръзва по-бързо от студената. Това е първото рецензирано изследване от този вид, но самият феномен се споменава в трудовете на Аристотел, датиращи от 4 век пр.н.е. д. Франсис Бейкън и Декарт също отбелязват този феномен в своите изследвания.

Видеото изброява няколко опции за обяснение на случващото се:

Сланата е диелектрик и следователно мразовитата студена вода съхранява топлината по-добре от топлата чаша, която топи леда в контакт с нея.
Студената вода има повече разтворени газове от топлата вода и изследователите спекулират, че това може да играе роля в скоростта на охлаждане, въпреки че все още не е ясно как.
Горещата вода губи повече водни молекули чрез изпаряване, оставяйки по-малко да замръзнат
топла водаможе да се охлади по-бързо поради увеличените конвективни токове. Тези течения възникват, защото водата в чашата първо се охлажда от повърхността и отстрани, което кара студената вода да потъва, а горещата вода да се издига. В топло стъкло конвективните течения са по-активни, което може да повлияе на скоростта на охлаждане.

През 2016 г. обаче беше проведено внимателно контролирано проучване, което показа обратното: топлата вода замръзва много по-бавно от студената. В същото време учените забелязаха, че промяната в местоположението на термодвойка - устройство, което определя температурните разлики - само с един сантиметър води до появата на ефекта Mpemba. Проучване на друга подобна работа показа, че във всички случаи, когато се наблюдава този ефект, е имало изместване на термодвойката в рамките на сантиметър.

„Вече се натъкнахме на някои интересни свойства на водата, които ни позволяват да живеем в частност и живите същества като цяло. Нека продължим темата и да предложим на вашето внимание още едно интересно свойство (макар че не е ясно дали е истина или измислица).

Интересно за водата - ефектът Мпемба: знаете ли, че в интернет се носят слухове, че топлата вода замръзва по-бързо от студената? Може би не знаете, но тези слухове се носят. И много упорит. И така, за какво говорим - експериментална грешка или ново, интересно свойство на водата, което все още не е проучено?

Нека да го разберем. Легендата, повтаряна от сайт на сайт, е следната: нека вземем два съда с вода: налейте гореща вода в единия и студена вода в другия и ги поставете във фризера. Топлата вода ще замръзне по-бързо от студената вода. Защо се случва това?

През 1963 г. танзанийски студент на име Ерасто Б. Мпемба, докато замразява приготвена смес за сладолед, забелязва, че горещата смес се втвърдява по-бързо във фризера от студената. Когато младежът споделил откритието си с учител по физика, той само му се изсмял. За щастие ученикът бил упорит и убедил учителя да направи експеримент, който потвърдил откритието му: при определени условия топлата вода наистина замръзва по-бързо от студената.

Втората версия на легендата - Мпемба се обърна към великия учен, който, за щастие, беше близо до африканската школа на Мпемба. И ученият повярва на момчето и провери два пъти какво е какво. Е, тръгваме... Сега този феномен на гореща вода, която замръзва по-бързо от студена вода, се нарича "ефект на Мпемба". Вярно, много преди това уникален имотводата е отбелязана от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт.

Учените не разбират напълно природата на това явление, обяснявайки го или с разликата в хипотермията, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху гореща и студена вода.

И така, имаме ефекта Mpemba (Mpemba Paradox) - парадокс, който казва, че горещата вода (при определени условия) може да замръзне по-бързо от студената вода. Въпреки че в същото време трябва да премине температурата на студената вода в процеса на замръзване.

Съответно, за да се справим с парадокса, има два начина. Първият е да започнем да обясняваме този феномен, да измисляме теории и да се радваме, че водата е мистериозна течност. Или можете да отидете по друг начин - самостоятелно да проведете този експеримент. И направете съответните изводи.

Нека се обърнем към хората, които действително са имали това преживяване, опитвайки се да възпроизведат ефекта на Мпемба. И в същото време нека разгледаме едно малко изследване, което определя "откъде растат краката".

На руски език съобщение за ефекта Мпемба се появява за първи път преди 42 години, както съобщава списание "Химия и живот" (1970 г., № 1, стр. 89). Като съвестни, служителите на "Химия и живот" решиха сами да проведат експерименти и се увериха: "горещото мляко упорито не искаше първо да замръзне". Този резултат получи естествено обяснение: „Гореща течност не трябва да замръзва по-рано. В крайна сметка температурата му първо трябва да бъде равна на температурата на студената течност.

Един от читателите на "Химия и живот" съобщава за неговите опити следното (1970, № 9, стр. 81). Доведе млякото до кипене, охлади го до стайна температура и го постави в хладилника едновременно с несвареното мляко, което също беше на стайна температура. Вареното мляко замръзва по-бързо. Същият ефект, но по-слаб, се постига чрез нагряване на млякото до 60°C, а не чрез кипене. Варенето може да бъде от основно значение: това ще изпари част от водата и ще изпари по-леката част от мазнината. В резултат на това точката на замръзване може да се промени. Освен това при нагряване и още повече при варене са възможни някои химични трансформации на органичната част на млякото.

Но „разваленият телефон“ вече работеше и след повече от 25 години тази история беше описана по следния начин: „Една порция сладолед изстива по-бързо, ако се сложи в хладилника, след като се затопли добре, отколкото ако първо се оставя на ниска температура” (“Знанието е сила”, 1997, № 10, стр. 100). Постепенно започнаха да забравят млякото и ставаше дума основно за водата.

След 13 години в същата „Химия и живот“ се появява следният диалог: „Ако изнесете две чаши на студено – със студена и с топла вода, — тогава коя вода ще замръзне по-бързо?.. Изчакайте зимата и проверете: топлата вода ще замръзне по-бързо” (1993, № 9, с. 79). Година по-късно последва писмо от един добросъвестен читател, който усърдно изнася чаши със студена и топла вода през зимата на студа и се убеждава, че студената вода замръзва по-бързо (1994, № 11, с. 62).

Подобен експеримент е проведен с помощта на хладилник, в който фризерът е покрит с дебел слой скреж. Когато сложих чаши с топла и студена вода на този фризер, скрежът под чашите с топла вода се размрази, те потънаха и водата в тях замръзна по-бързо. Когато сложих очила върху замръзване, ефектът не се наблюдава, тъй като замръзването под очилата не се стопи. Ефектът не се наблюдава дори когато след размразяване на хладилника поставих чашите на фризер без замръзване. Това доказва, че причината за ефекта е размразяването на скреж под чаши с гореща вода (Химия и живот, 2000, № 2, стр. 55).

Историята за парадокса, забелязан от танзанийското момче, беше многократно придружена от многозначителна забележка - казват, че не трябва да се пренебрегва никаква, дори много странна информация. Желанието е добро, но неосъществимо. Ако не проверим предварително недостоверната информация, тогава ще се удавим в нея. А грешната информация често е грешна. Освен това често се случва (както в случая с ефекта Mpemba), че невероятността е следствие от изкривяването на информацията в процеса на предаване.

По този начин е интересно за водата като цяло и ефектът Mpemba в частност не винаги е верен 🙂

Повече подробности - на страницата http://wsyachina.narod.ru/physics/mpemba.html

Водата е една от най-удивителните течности в света, която има необичайни свойства. Например, ледът - твърдо течно състояние, има специфично тегло, по-ниско от самата вода, което направи възможно появата и развитието на живота на Земята по много начини. В допълнение, в почти научната, и научен святима дискусии коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена. Който докаже по-бързо замразяване на гореща течност при определени условия и научно обоснове решението си, ще получи награда от £1000 от Британското кралско дружество на химиците.

Заден план

Фактът, че при редица условия топлата вода изпреварва студената вода по отношение на скоростта на замръзване, е забелязан още през Средновековието. Франсис Бейкън и Рене Декарт са положили много усилия, за да обяснят този феномен. От гледна точка на класическата топлотехника обаче този парадокс не може да бъде обяснен и те се опитаха срамежливо да го премълчат. Импулсът за продължаването на спора беше донякъде любопитна история, която се случи с танзанийския ученик Ерасто Мпемба (Erasto Mpemba) през 1963 г. Веднъж, по време на урок по приготвяне на десерти в училище по готварство, едно момче, разсеяно от други неща, нямаше време да охлади сместа за сладолед навреме и постави разтвор на захар в горещо мляко във фризера. За негова изненада продуктът се охлади малко по-бързо от този на неговите колеги практикуващи, които наблюдаваха температурен режимприготвяне на сладолед.

Опитвайки се да разбере същността на явлението, момчето се обърна към учител по физика, който, без да навлиза в подробности, осмива кулинарните му експерименти. Въпреки това, Ерасто се отличава със завидна постоянство и продължава експериментите си вече не върху мляко, а върху вода. Той се увери, че в някои случаи топлата вода замръзва по-бързо от студената.

Постъпвайки в университета в Дар ес Салам, Ерасто Мпембе посещава лекция на професор Денис Г. Осбърн. След дипломирането студентът озадачи учения с проблема за скоростта на замръзване на водата в зависимост от нейната температура. Д.Г. Озбърн се подигра на самото поставяне на въпроса, заявявайки с апломб, че всеки губещ знае, че студената вода ще замръзне по-бързо. Но естествената упоритост на младия мъж се усети. Той се обзаложи с професора, предлагайки да проведе експериментално изследване тук, в лабораторията. Erasto постави два контейнера с вода във фризера, единият при 95°F (35°C), а другият при 212°F (100°C). Каква беше изненадата на професора и околните "фенове", когато водата във втория контейнер замръзна по-бързо. Оттогава това явление се нарича "Парадоксът на Мпемба".

Към днешна дата обаче няма последователна теоретична хипотеза, обясняваща „парадокса на Мпемба“. Не е ясно кое външни фактори, химичен съставвода, наличието на разтворени газове и минерали в нея влияят върху скоростта на замръзване на течности при различни температури. Парадоксът на "Ефекта на Мпемба" е, че той противоречи на един от законите, открити от И. Нютон, който гласи, че времето за охлаждане на водата е право пропорционално на температурната разлика между течността и околната среда. И ако всички други течности са напълно подчинени на този закон, то водата в някои случаи е изключение.

Защо горещата вода замръзва по-бързо?T

Има няколко версии защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Основните са:

горещата вода се изпарява по-бързо, докато нейният обем намалява, а по-малък обем течност се охлажда по-бързо - когато водата се охлажда от + 100 ° C до 0 ° C, загубите на обем при атмосферно налягане достигат 15%;
скоростта на топлообмен между течността и околен святколкото по-висока, толкова по-голяма е температурната разлика, така че загубата на топлина от вряща вода преминава по-бързо;
когато горещата вода се охлади, на повърхността й се образува ледена кора, която предотвратява пълното замръзване и изпаряване на течността;
при висока температура на водата се получава нейното конвекционно смесване, което намалява времето за замръзване;
газовете, разтворени във вода, понижават точката на замръзване, отнемайки енергия за образуване на кристали - в горещата вода няма разтворени газове.

Всички тези условия са били подложени на многократна експериментална проверка. По-специално, немският учен Дейвид Ауербах откри, че температурата на кристализация на горещата вода е малко по-висока от тази на студената вода, което прави възможно по-бързото замразяване на първата. По-късно обаче експериментите му са критикувани и много учени са убедени, че „Ефектът на Мпемба“, за който водата замръзва по-бързо - гореща или студена, може да се възпроизведе само при определени условия, които никой досега не е търсил и конкретизирал.

Британското Кралско дружество по химия предлага награда от £1000 на всеки, който може научно да обясни защо в някои случаи горещата вода замръзва по-бързо от студената.

„Съвременната наука все още не може да отговори на този на пръв поглед прост въпрос. Производителите на сладолед и барманите използват този ефект в ежедневната си работа, но никой не знае защо работи. Този проблем е известен от хилядолетия и философи като Аристотел и Декарт са мислили за него“, каза професор Дейвид Филипс, президент на Британското кралско дружество по химия, цитиран в прессъобщението на дружеството.

Как африкански готвач победи британски професор по физика

Не е Първоаприлска шегано сурова физическа реалност. Днешната наука, която лесно оперира с галактики и черни дупки, изграждайки гигантски ускорители за търсене на кварки и бозони, не може да обясни как "работи" елементарната вода. Училищен учебникзаявява недвусмислено, че е необходимо повече време за охлаждане на по-горещо тяло, отколкото за охлаждане на студено тяло. Но за водата този закон не винаги се спазва. Аристотел обръща внимание на този парадокс през 4 век пр.н.е. д. Ето какво пише древният грък в книгата „Meteorologica I”: „Фактът, че водата е предварително загрята, допринася за нейното замръзване. Затова много хора, когато искат бързо да охладят гореща вода, първо я поставят на слънце ... ”През Средновековието Франсис Бейкън и Рене Декарт се опитаха да обяснят това явление. Уви, нито великите философи, нито многобройните учени, развили класическата топлинна физика, успяха в това и затова такъв неудобен факт беше „забравен“ за дълго време.

И едва през 1968 г. те „се сетиха“ благодарение на ученика Ерасто Мпемба от Танзания, далеч от всякаква наука. Докато учи в готварско училище, през 1963 г., 13-годишният Мпембе получава задачата да направи сладолед. Според технологията беше необходимо да се свари млякото, да се разтвори в него захар, да се охлади до стайна температура и след това да се постави в хладилника за замръзване. Очевидно Мпемба не е бил прилежен ученик и се е поколебал. Страхувайки се, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещото мляко в хладилника. За негова изненада то замръзна дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по всички правила.

Когато Мпемба споделил откритието си с учител по физика, той му се подиграл пред целия клас. Мпемба си спомни обидата. Пет години по-късно, вече студент в университета в Дар ес Салаам, той беше на лекция известен физикДенис Г. Осбърн. След лекцията той зададе въпрос на учения: „Ако вземете два еднакви съда с еднакво количество вода, единият при 35 °C (95 °F), а другият при 100 °C (212 °F), и поставите във фризера, тогава водата в горещ съд ще замръзне по-бързо. Защо?" Можете да си представите реакцията на британски професор на въпрос на млад мъж от забравена от бога Танзания. Той се подигра на ученика. Мпемба обаче бил готов на такъв отговор и предизвикал учения на залог. Техният спор кулминира в експериментален тест, който доказа, че Мпемба е прав и Осбърн е победен. Така студентът-готвач вписа името си в историята на науката и оттук нататък това явление се нарича "ефектът на Мпемба". Да го изхвърлите, да го обявите за "несъществуващ" не работи. Феноменът съществува и, както пише поетът, "не в зъба с крака".

Праховите частици и разтворените вещества ли са виновни?

През годините мнозина са се опитвали да разгадаят мистерията на замръзването на водата. Предложени са цял куп обяснения за това явление: изпарение, конвекция, влияние на разтворените вещества - но нито един от тези фактори не може да се счита за окончателен. Редица учени посветиха целия си живот на ефекта Мпемба. Служител на отдела за радиационна безопасност Държавен университетНю Йорк - Джеймс Браунридж - в свободно времеизучава парадокса повече от десетилетие. След провеждането на стотици експерименти, ученият твърди, че има доказателства за "вината" на хипотермията. Браунридж обяснява, че при 0°C водата само преохлажда и започва да замръзва, когато температурата падне под. Точката на замръзване се регулира от примесите във водата - те променят скоростта на образуване на ледени кристали. Примесите, а това са частици прах, бактерии и разтворени соли, имат своята характерна температура на нуклеация, когато около центровете на кристализация се образуват ледени кристали. Когато няколко елемента присъстват във водата наведнъж, точката на замръзване се определя от този с най-висока температура на нуклеация.

За експеримента Браунридж взема две проби от вода с еднаква температура и ги поставя във фризер. Той установи, че един от образците винаги замръзва преди другия - вероятно поради различна комбинация от примеси.

Браунридж твърди, че горещата вода се охлажда по-бързо поради повече разликамежду температурите на водата и фризера - това му помага да достигне точката си на замръзване, преди студената вода да достигне естествената си точка на замръзване, която е по-ниска поне, при 5°C.

Разсъжденията на Браунридж обаче повдигат много въпроси. Следователно тези, които могат да обяснят ефекта на Мпемба по свой начин, имат шанс да се състезават за хиляда лири стерлинги от Британското кралско дружество по химия.

Много изследователи са излагали и излагат свои версии защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Изглежда парадоксално - в крайна сметка, за да замръзне, горещата вода първо трябва да се охлади. Фактът обаче си остава факт и учените го обясняват по различни начини.

Основни версии

В момента има няколко версии, които обясняват този факт:

Тъй като изпарението в гореща вода е по-бързо, нейният обем намалява. По-малко количество вода със същата температура замръзва по-бързо.
Фризерната част на хладилника е със снежна подплата. Съд с гореща вода топи снега отдолу. Това подобрява термичния контакт с фризера.
Замразяването на студена вода, за разлика от горещата, започва отгоре. В този случай конвекцията и топлинното излъчване и следователно загубата на топлина се влошават.
В студената вода има центрове на кристализация - вещества, разтворени в нея. При малко съдържание на тях във вода обледеняването е трудно, но в същото време е възможна нейната хипотермия - когато е в течно състояние при минусови температури.

Въпреки че справедливо може да се каже, че този ефект не винаги се наблюдава. Студената вода често замръзва по-бързо от горещата вода.

При каква температура замръзва водата

Защо водата изобщо замръзва? Съдържа определено количество минерални или органични частици. Това например могат да бъдат много фини частици пясък, прах или глина. Когато температурата на въздуха спадне, тези частици се превръщат в центрове, около които се образуват ледени кристали.

Ролята на кристализационни ядра могат да изпълняват и въздушни мехурчета и пукнатини в контейнер, съдържащ вода. Скоростта на процеса на превръщане на водата в лед до голяма степен се влияе от броя на такива центрове - ако има много от тях, течността замръзва по-бързо. При нормални условия, с нормално атмосферно налягане, водата преминава в твърдо състояние от течност при температура 0 градуса.

Същността на ефекта Мпемба

Ефектът на Мпемба се разбира като парадокс, чиято същност е, че при определени обстоятелства горещата вода замръзва по-бързо от студената. Това явление е забелязано от Аристотел и Декарт. Въпреки това, едва през 1963 г. Ерасто Мпемба, ученик от Танзания, установи, че горещият сладолед замръзва за по-кратко време от студения сладолед. Той направи такова заключение, докато изпълняваше задачата за готвене.

Той трябваше да разтвори захар в сварено мляко и след като го охлади, да го постави в хладилника да замръзне. Очевидно Мпемба не се отличаваше със специално усърдие и започна да изпълнява първата част от задачата късно. Затова той не изчака млякото да изстине, а го постави в хладилника горещо. Той беше много изненадан, когато замръзна дори по-бързо от това на съучениците му, които свършиха работата по зададената технология.

Този факт много заинтересува младежа и той започна експерименти с обикновена вода. През 1969 г. списанието Physics Education публикува резултатите от изследването на Mpemba и професор Dennis Osborn от университета в Дар ес Салаам. Ефектът, който описват, е наречен Mpemba. И до днес обаче няма ясно обяснение на феномена. Всички учени са съгласни, че основната роля за това играят разликите в свойствата на охладената и топлата вода, но какво точно е неизвестно.

Сингапурска версия

Физиците от един от сингапурските университети също се интересуваха от въпроса коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена? Екип от изследователи, ръководен от Си Джан, обясни този парадокс именно със свойствата на водата. Всички все още знаят състава на водата от училище - един атом кислород и два атома водород. Кислородът до известна степен извлича електрони от водорода, така че молекулата е определен вид "магнит".

В резултат на това някои молекули във водата са леко привлечени една към друга и са обединени от водородна връзка. Силата му е в пъти по-ниска от ковалентната връзка. Сингапурски изследователи смятат, че обяснението на парадокса Мпемба се крие именно във водородните връзки. Ако водните молекули са поставени много близо една до друга, тогава такова силно взаимодействие между молекулите може да деформира ковалентната връзка в средата на самата молекула.

Но когато водата се нагрява, свързаните молекули се отдалечават леко една от друга. В резултат на това се получава релаксация в средата на молекулите. ковалентни връзкис връщане на излишната енергия и преминаване към по-ниско енергийно ниво. Това води до факта, че горещата вода започва да се охлажда бързо. Поне това показват теоретичните изчисления, направени от сингапурски учени.