Яка вода швидше замерзає – гаряча чи холодна. Чому гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна

Здається очевидним, що холодна вода замерзає швидше за гарячу, оскільки в рівних умовах гарячій воді потрібно більше часу, щоб охолонути і згодом - замерзнути. Однак тисячолітні спостереження, а також сучасні експерименти показали, що вірне і протилежне: за певних умов гаряча водазамерзає швидше за холодну. Науковий канал Sciencium пояснює це явище:

Як пояснюється на відео вище, феномен, коли гаряча вода замерзає швидше за холодну, відомий як ефект Мпемби, названий на ім'я Ерасто Мпемба - студента з Танзанії, який у 1963 році робив морозиво як частину шкільного проекту. Студенти мали довести до кипіння суміш вершків і цукру, дати йому охолонути, а потім покласти в морозилку.

Натомість Ерасто поставив свою суміш відразу, розпеченою, не чекаючи, поки вона охолоне. У результаті через 1,5 години його суміш вже була заморожена, а суміші інших учнів - ні. Зацікавившись явищем, Мпемба почав вивчати питання разом із професором фізики Денисом Осборном, і в 1969 році вони опублікували статтю, в якій йшлося про те, що тепла вода замерзає швидше, ніж холодна вода. Це було перше дослідження, що рецензується, проте саме явище згадується ще в паперах Аристотеля, датованих IV століттям до н. е. Френсіс Бекон та Декарт також відзначали це явище у своїх дослідженнях.

У відео перелічено кілька варіантів пояснень того, що відбувається:

Мороз є діелектриком, і тому холодна морозна вода зберігає тепло краще, ніж тепла склянка, що плавить лід, стикаючись з ним.
У холодній воді більше розчинених газів, ніж у теплій, і дослідники припускають, що це може відігравати роль у швидкості охолодження, хоча поки що незрозуміло як
Гаряча вода втрачає більше водних молекул за рахунок випаровування, тому їх менше залишається для заморожування
Тепла водаможе охолоджуватися швидше рахунок збільшення конвективних течій. Ці течії виникають, оскільки в першу чергу вода в склянці охолоджується на поверхні та з боків, змушуючи холодну воду тонути, а гарячу – підніматися. У теплій склянці конвективні течії активніші, що може вплинути на швидкість охолодження.

Однак у 2016 році було проведено ретельно контрольоване дослідження, яке показало протилежне: гаряча вода замерзала набагато повільніше за холодну. При цьому вчені помітили, що зміна розташування термопари - приладу, що визначає перепади температури, - всього на сантиметр призводить до появи ефекту Мпемба. Вивчення інших подібних робіт показало, що у всіх випадках, коли спостерігався цей ефект, було зміщення термопари в межах сантиметра.

Ми вже стикалися з деякими цікавими властивостями води, які дозволяють жити і нам зокрема, і живим істотам взагалі. Продовжимо тему і пропонуємо до вашої уваги ще одна цікава властивість (правда, незрозуміло, істинна чи вигадана).

Цікаво про воду — ефект Мпемби: чи знаєте ви, що інтернетом ходять чутки про те, що гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна? Ви, мабуть, не знаєте, а ці чутки ходять. Причому дуже завзяті. Так про що йдеться — про помилку експерименту чи про нову, цікаву властивість води, яка досі не була вивчена?

Давайте розберемося. Легенда, що повторюється від сайту до сайту, така: візьмемо дві ємності з водою: в одну наллємо гарячу, а в іншу - холодну воду, і помістимо в морозильну камеру. Гаряча вода замерзне швидше за холодну. Чому так відбувається?

У 1963 році один танзанський студент на ім'я Ерасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba), заморожуючи приготовлену суміш для морозива, помітив, що гаряча суміш застигає в морозильній камері швидше, ніж холодна. Коли юнак поділився своїм відкриттям із учителем фізики, той лише посміявся з нього. На щастя, учень виявився наполегливим і переконав вчителя провести експеримент, який і підтвердив його відкриття: за певних умов гаряча вода справді замерзає швидше за холодну.

Другий варіант легенди - Мпемба звернувся до великого вченого, який, на щастя, знаходився поряд з африканською школою Мпемби. А вчений повірив хлопчику і перевіряв ще раз, що до чого. Ну і пішло-поїхало… Тепер цей феномен гарячої води, що замерзає швидше за холодну, зветься «ефект Мпемба». Щоправда, за довго до нього це унікальна властивістьводи було відзначено Аристотелем, Френсісом Беконом та Рене Декартом.

Вчені так і не розуміють природу цього явища, пояснюючи його або різницею в переохолодженні, випаровуванні, утворенні льоду, конвекції, або впливом розріджених газів на гарячу і холодну воду.

Отже, ми маємо ефект Мпемби (Парадокс Мпемби) - парадокс, який свідчить, що гаряча вода (за деяких умов) може замерзнути швидше, ніж холодна. Хоча вона повинна пройти температуру холодної води в процесі замерзання.

Відповідно для того, щоб розібратися з парадоксом, є два шляхи. Перший — почати пояснювати це явище, вигадувати теорію та радіти, що вода — таємнича рідина. А можна піти іншим шляхом — самостійно провести цей експеримент. І зробити відповідні висновки.

Давайте звернемося до людей, які справді провели цей досвід, намагаючись відтворити ефект Мпемби. А заразом подивимося на невелике дослідження, що визначає, "звідки ноги ростуть".

Російською мовою повідомлення про ефект Мпемби вперше з'явилося 42 роки тому, про що розповів журнал „Хімія і життя“ (1970, № 1, с. 89). Будучи сумлінними, співробітники „Хімії та життя“ вирішили самі провести досліди та переконалися: „гаряче молоко вперто не хотіло замерзати першим“. Такому результату було дано природне пояснення: „Гаряча рідина не повинна замерзати раніше. Адже її температура має спочатку зрівнятися з температурою холодної рідини”.

Один із читачів „Хімії та життя“ повідомив про свої досліди наступне (1970, № 9, с. 81). Він доводив молоко до кипіння, охолоджував до кімнатної температури і ставив у холодильник одночасно з некип'яченим молоком, що теж мав кімнатну температуру. Кип'яче молоко застигало швидше. Той самий ефект, але слабкіший досягався при нагріванні молока до 60°C, а не до кипіння. Кип'ятіння могло мати важливе значення: при цьому випарується частина води і випарується легша частина жирів. Внаслідок цього температура замерзання може змінитися. Крім того, при нагріванні і тим більше при кип'ятінні можливі й якісь хімічні перетворення органічної частини молока.

Але „зіпсований телефон“ вже запрацював, і через 25 з лишком років цю історію описували так: „Порція морозива швидше стає холодною, якщо її засунути в холодильник, попередньо гарненько прогрівши, ніж якщо її спершу залишити при холодній температурі“ („Знання – сила ", 1997, № 10, с. 100). Про молоко почали поступово забувати, і мова йшла переважно про воду.

Через 13 років у тій же „Хімії та житті“ з'явився такий діалог: „Якщо на мороз винести дві чашки — з холодної та з гарячою водою, — яка вода швидше замерзне?.. Дочекайтеся зими і перевірте: гаряча вода замерзне швидше“ (1993, № 9, з. 79). Ще через рік був лист одного сумлінного читача, який взимку старанно виносив на мороз чашки з холодною і гарячою водою і переконався, що холодна замерзає швидше (1994, № 11, с. 62).

Подібний досвід було проведено за допомогою холодильника, у якого морозильник покривається товстим шаром інею. Коли я ставив на цей морозильник склянки з гарячою і холодною водою, то іній під склянками з гарячою водою підтаював, вони опускалися і вода в них замерзала швидше. Коли ж я ставив на іній чарки, ефект не спостерігався, оскільки іній під чарками не підтаював. Не спостерігався ефект і тоді, коли після розморожування холодильника я ставив склянки на не покритий інеєм морозильник. Це доводить, що причиною ефекту є підтавання інею під склянками з гарячою водою (Хімія і життя 2000, № 2, с. 55).

Розповідь про парадокс, помічений танзанійським хлопчиком, неодноразово супроводжувалася багатозначним зауваженням — мовляв, не слід нехтувати жодною, навіть дуже дивною інформацією. Побажання добре, але нереалізоване. Якщо ми не попередньо відсіватимемо ненадійну інформацію, то ми в ній потонемо. А неправдоподібна інформація найчастіше буває невірною. До того ж часто буває (як і у випадку з ефектом Мпемби), що неправдоподібність є наслідком спотворення інформації в процесі передачі.

Таким чином, цікаво про воду взагалі, і ефект Мпемби зокрема не завжди правда 🙂

Докладніше - на сторінці http://wsyachina.narod.ru/physics/mpemba.html

Вода – одна з найдивовижніших рідин у світі, якій притаманні незвичайні властивості. Наприклад, лід – твердий стан рідини, має питому вагу нижче, ніж сама вода, що у багато чому можливим виникнення та розвитку життя Землі. Крім того, в навколонауковому, та й науковому світіточаться дискусії з приводу, яка вода швидше замерзає – гаряча чи холодна. Той, хто доведе швидше замерзання гарячої рідини в певних умовах і науково доведе своє рішення, отримає від Британського королівського товариства хіміків нагороду в 1000 фунтів стерлінгів.

Історія питання

Про те, що при виконанні низки умов гаряча вода за швидкістю замерзання випереджає холодну, було помічено ще в Середньовіччі. Поясненню цього феномена витратили чимало зусиль Френсіс Бекон (Francis Bacon) та Рене Декарт (René Descartes). Однак, з погляду класичної теплотехніки, цей парадокс пояснити неможливо, і про нього намагалися сором'язливо замовчувати. Поштовхом до продовження суперечок послужила дещо курйозна історія, що сталася з танзанійським школярем Ерасто Мпембе (Erasto Mpemba) у 1963 році. Якось під час уроку з приготування десертів у школі кухарів, хлопчик, відволікаючись на сторонні справи, не встиг охолодити суміш для морозива вчасно і засунув у морозильну камеру розчин цукру в молоці гарячим. На його здивування, продукт охолоне трохи швидше, ніж у його товаришів по навчанню, які дотримуються температурний режимприготування морозива.

Намагаючись усвідомити сутність явища, хлопчик звернувся до вчителя фізики, який, не вдаючись до подробиць, висміяв його кулінарні досліди. Проте Ерасто вирізнявся завидною завзятістю і продовжив свої експерименти не на молоці, але в воді. Він переконався, що часом замерзання гарячої води відбувається швидше, ніж холодної.

Вступивши до університету в Дар-ес-Саламі (University of Dar es Salaam), Ераст Мпембе відвідав лекцію професора Дениса Г. Осборна (Dennis G. Osborne). Після закінчення студент спантеличив вченого проблемою про швидкість замерзання води залежно від її температури. Д.Г. Осборн висміяв саму постановку питання, заявивши з апломбом, що будь-якому двієчнику відомо, що холодна вода замерзне швидше. Однак природна завзятість юнака далася взнаки. Він уклав з професором парі, запропонувавши тут же, в лабораторії, провести експериментальну перевірку. Ерасто помістив у морозилку два контейнери з водою, температура якої в одному дорівнювала 95°F (35°C), а в другому – 212°F (100°C). Яке ж було здивування професора та оточуючих уболівальників, коли вода в другому контейнері замерзла швидше. З того часу це явище отримало назву «Парадоксу Мпемби».

Проте досі немає стрункої теоретичної гіпотези, що пояснює «Парадокс Мпемби». Не зрозуміло, які зовнішні фактори, хімічний складводи, наявність у ній розчинених газів та мінеральних речовин впливають на швидкість замерзання рідин, що знаходяться при різних температурах. Парадоксальність «Ефекту Мпемби» в тому, що він суперечить одному з законів, відкритих ще І. Ньютоном, який говорить, що час остигання води прямо пропорційно різниці температур рідини та навколишнього середовища. І якщо всі інші рідини повністю підкоряються цьому закону, то вода у ряді випадків є винятком.

Чому гаряча вода швидше замерзаєт

Існує кілька версій, чому гаряча вода замерзає швидше за холодну. Основними з них вважаються:

гаряча вода швидше випаровується, при цьому зменшується її об'єм, а менший об'єм рідини остигає швидше - при охолодженні води від + 100 до 0°С об'ємні втрати при атмосферному тиску досягають 15%;
інтенсивність теплообміну між рідиною та довкіллямтим вище, що більше різниця температур, тому теплові втрати окропу проходять швидше;
при охолодженні гарячої води на її поверхні утворюється скоринка льоду, що перешкоджає повному промерзанню рідини та її випаровування;
при високій температурі води відбувається її конвекційне перемішування, що скорочує час замерзання;
розчинені у питній воді гази знижують точку замерзання, відбираючи енергію на кристалообразование, – у гарячій питній воді розчинені гази відсутні.

Всі ці умови неодноразово піддавалися експериментальній перевірці. Зокрема, німецький вчений Давид Ауербах (David Auerbach) виявив, що температура кристалізації гарячої води дещо вища, ніж у холодної, що уможливлює швидше замерзання першої. Однак пізніше його досліди були піддані критиці і багато вчених переконані, що «Ефект Мпемби» про те, яка вода швидше замерзає – гаряча чи холодна, можна відтворити лише за певних умов, пошуками та конкретизацією яких досі ніхто не займався.

Британське Королівське хімічне товариство пропонує нагороду в 1 тисячу фунтів стерлінгів тому, хто зможе пояснити з наукового погляду, чому в деяких випадках гаряча вода замерзає швидше за холодну.

«Сучасна наука все ще не може відповісти на це просте на перший погляд питання. Виробники морозива та бармени використовують цей ефект у своїй повсякденній роботі, але ніхто насправді не знає, чому це працює. Ця проблема відома вже тисячоліття, такі філософи, як Арістотель та Декарт розмірковували про неї», - сказав президент Британського Королівського хімічного товариства, професор Девід Філіпс, слова якого наводяться в прес-релізі Товариства.

Як кухар з Африки переміг британського професора фізики

Це не першоквітневий жарта сувора фізична реальність. Нинішня наука, яка з легкістю оперує галактиками та чорними дірками, що будує гігантські прискорювачі для пошуку кварків та бозонів, не може пояснити, як «працює» елементарна вода. Шкільний підручникоднозначно стверджує, що для охолодження більш нагрітого тіла потрібно більше часу, ніж для охолодження холодного тіла. А ось для води цей закон дотримується не завжди. На цей феномен звертав увагу ще Аристотель у 4 столітті до н. е. Ось що писав древній грек у книзі «Meteorologica I»: «Той факт, що вода попередньо нагрівається, сприяє її замерзанню. Тому багато людей, коли вони хочуть якнайшвидше охолодити гарячу воду, спочатку ставлять її на сонце...» У середні віки цей феномен намагалися пояснити Френсіс Бекон і Рене Декарт. На жаль, це не вдалося ні великим філософам, ні численним ученим, які розвивали класичну теплофізику, а тому про такий незручний факт надовго «забули».

І лише 1968 року «згадали» завдяки школяру Ерасто Мпембе з далекої від будь-якої науки Танзанії. Навчаючись у школі кухарського мистецтва, 1963 року 13-річний Мпембе отримав завдання зробити морозиво. За технологією треба було закип'ятити молоко, розчинити в ньому цукор, охолодити його до кімнатної температури, а потім поставити в холодильник для замерзання. Очевидно, Мпемба ні старанним учнем і забарився. Побоюючись, що не встигне до кінця уроку, він поставив у холодильник гаряче молоко. На його подив, воно замерзло навіть раніше, ніж молоко його товаришів, приготовлене за всіма правилами.

Коли Мпемба поділився своїм відкриттям із учителем фізики, той підняв його на сміх перед усім класом. Мпемба запам'ятав образу. Через п'ять років, будучи студентом університету в Дар-ес-Саламі, він опинився на лекції. відомого фізикаДениса Г. Осборна. Після лекції він поставив вченому запитання: «Якщо ви візьмете два однакових контейнери з рівною кількістю води, один з температурою 35 °C (95 °F), а інший - 100 °C (212 °F), і помістіть їх у морозильник, то вода у гарячому контейнері замерзне швидше. Чому? Можете собі уявити реакцію британського професора на питання юнака із забутої Богом Танзанії. Він висміяв студента. Однак Мпемба був готовий до такої відповіді і викликав вченого на заклад. Їхня суперечка завершилася експериментальною перевіркою, що підтвердила правоту Мпемби та поразку Осборна. Так учень-поварянок вписав своє ім'я в історію науки, і відтепер цей феномен зветься «ефектом Мпемби». Відкинути його, оголосити як би неіснуючим не виходить. Явище існує, і, як писав поет, «ні в зуб ногою».

Винні порошинки та розчинені речовини?

За минулі роки багато хто намагався розгадати таємницю замерзаючої води. Було запропоновано цілий букет пояснень цього явища: випаровування, конвекція, вплив розчинених речовин - але жоден із цих факторів не можна визнати остаточним. Низка вчених присвятила ефекту Мпемба все життя. Співробітник кафедри радіаційної безпеки Державного університетуНью-Йорка – Джеймс Браунрідж (James Brownridge) – у вільний часзаймається вивченням парадоксу вже протягом десятиліття. Провівши сотні експериментів, учений стверджує, що має докази "вини" переохолодження. Браунрідж пояснює, що за 0°С вода лише переохолоджується, а замерзати починає, коли температура опускається нижче. Точка замерзання регулюється домішками, що знаходяться у воді - саме вони змінюють швидкість формування кристаликів льоду. Домішки, а це порошинки, бактерії та розчинені солі, мають характерну для них температуру нуклеації, коли навколо центрів кристалізації формуються кристалики льоду. Коли у воді знаходяться відразу декілька елементів, температура замерзання визначається тим із них, який має найвищу температуру нуклеації.

Для досвіду Браунрідж взяв дві проби води однакової температури та помістив їх у морозильну камеру. Він виявив, що один із екземплярів завжди замерзає раніше іншого – імовірно, через різне поєднання домішок.

Браунрідж стверджує, що гаряча вода остигає швидше через більшої різниціміж температурами води та морозильної камери – це допомагає їй досягти своєї точки замерзання перш, ніж холодна вода досягне своєї природної точки замерзання, яка нижче, Крайній мірі, на 5°.

Втім, міркування Браунріджа викликають багато запитань. Тому ті, хто зуміє по-своєму пояснити ефект Мпемби, мають шанс поборотися за тисячу фунтів стерлінгів від Британського королівського хімічного товариства.

Багатьма дослідниками висувалися та висуваються свої версії щодо того, чому гаряча вода замерзає швидше за холодну. Здавалося б, феномен – адже для того, щоб замерзнути, гарячій воді для початку потрібно охолонути. Однак факт залишається фактом, і вчені пояснюють його по-різному.

Основні версії

На даний момент існують кілька версій, які пояснюють цей факт:

Оскільки випаровування у гарячій воді відбувається швидше, її обсяг зменшується. А замерзання меншої кількості води тієї ж температури відбувається швидше.
Морозильна камера холодильника має снігову прокладку. Контейнер, де міститься гаряча вода, розтоплює сніг під собою. При цьому покращується тепловий контакт із морозилкою.
Замерзання холодної води, на відміну гарячої, починається зверху. У цьому конвекція і тепловипромінювання, отже, теплова спад погіршуються.
У холодній воді є центри кристалізації – розчинені у ній речовини. При невеликому їх утриманні у воді заледеніння утруднене, хоча в той же час можливе її переохолодження – коли при мінусовій температурі вона має рідкий стан.

Хоча заради справедливості можна сказати, що цей ефект спостерігається не завжди. Найчастіше замерзання холодної води відбувається швидше, ніж гарячої.

За якої температури вода замерзає

Чому взагалі відбувається замерзання води? У її складі міститься певна кількість мінеральних чи органічних частинок. Це, наприклад, можуть бути дуже дрібні частинки піску, пилу чи глини. При зниженні температури повітря ці частинки є центрами, навколо яких утворюються крижані кристали.

Роль ядер кристалізації можуть виконувати бульбашки повітря і тріщини в ємності, де міститься вода. На швидкість процесу перетворення води на лід багато в чому впливає кількість таких центрів – якщо їх багато, рідина замерзає швидше. За звичайних умов, з нормальним атмосферним тиском вода переходить у твердий стан з рідкого при температурі 0 градусів.

Суть ефекту Мпемби

Під ефектом Мпемби розуміють парадокс, суть якого в тому, що за певних обставин гаряча вода замерзає швидше за холодну. Цей феномен був помічений ще Аристотелем та Декартом. Проте тільки в 1963 році школяр з Танзанії Ераст Мпемба визначив, що гаряче морозиво замерзає за більш короткий час, ніж холодне. Такий висновок він зробив, виконуючи завдання з кухарської справи.

Він повинен був розчинити в закипілому молоці цукор і, охолодивши його, помістити для замерзання в холодильник. Зважаючи на все, Мпемба особливої старанністю не відрізнявся і першу частину завдання почав виконувати із запізненням. Тому він не став чекати остигання молока, і визначив його в холодильник гарячим. Він дуже здивувався, коли воно замерзло ще швидше, ніж у його однокласників, які виконували роботу відповідно до заданої технології.

Цей факт дуже зацікавив юнака, і він розпочав експерименти із простою водою. У 1969 році журнал Physics Education опублікував результати досліджень Мпемби та професора Денніса Осборна з університету в Дар-ес-Саламі. Описаному ефекту дали ім'я Мпемби. Однак і сьогодні феномен немає чіткого пояснення. Всі вчені сходяться на думці, що основна роль належить у цьому відмінностям властивостей охолодженої та гарячої води, проте яким саме – невідомо.

Сінгапурська версія

Фізиків одного із сінгапурських університетів також зацікавило питання, яка вода швидше замерзає – гаряча чи холодна? Команда дослідників під керівництвом Сі Чзана пояснила цей феномен саме властивостями води. Усім ще зі шкільної лави відомий склад води – атом кисню та два водневі атоми. Кисень певною мірою відтягує від водню електрони, тому молекула є певного роду «магніт».

Через війну певні молекули у питній воді трохи притягуються між собою об'єднуються зв'язком водню. Її міцність у багато разів нижча за ковалентний зв'язок. Сінгапурські дослідники вважають, що пояснення парадоксу Мпемби якраз у водневих зв'язках. Якщо молекули води розміщені між собою дуже щільно, така сильна взаємодія між молекулами здатна деформувати ковалентний зв'язок у середині самої молекули.

А ось при нагріванні води зв'язані молекули злегка віддаляються одна від одної. В результаті в середині молекул відбувається релаксація ковалентних зв'язківз віддачею зайвої енергії та переходом на нижчий енергетичний рівень. Це призводить до того, що гаряча вода починає пришвидшено охолоджуватися. Принаймні так показують теоретичні розрахунки, які провели сінгапурські вчені.