Почему горячее быстрее замерзает. Эффект Мпембы или почему горячая вода замерзает быстрее холодной

Вода – одна из самых удивительных жидкостей на свете, которой присущи необычные свойства. Например, лед – твердое состояние жидкости, имеет удельный вес ниже, чем сама вода, что сделало во многом возможным возникновение и развитие жизни на Земле. Кроме того, в околонаучном, да и научном мире ведутся дискуссии по поводу, какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная. Тот, кто докажет более быстрое замерзание горячей жидкости в определенных условиях и научно обоснует свое решение, получит от Британского королевского общества химиков награду в 1000 фунтов стерлингов.

История вопроса

О том, что при выполнении ряда условий горячая вода по скорости замерзания опережает холодную, было замечено еще в Средневековье. Объяснению этого феномена затратили немало усилий Френсис Бэкон (Francis Bacon) и Рене Декарт (René Descartes). Однако, с точки зрения классической теплотехники, этот парадокс объяснить невозможно, и о нем старались стыдливо замалчивать. Толчком к продолжению споров послужила несколько курьезная история, случившаяся с танзанийским школьником Эрасто Мпембе (Erasto Mpemba) в 1963 году. Однажды во время урока по приготовлению десертов в школе поваров, мальчик, отвлекшись на посторонние дела, не успел охладить смесь для мороженого вовремя и сунул в морозильную камеру раствор сахара в молоке горячим. На его удивление, продукт охладился несколько быстрее, чем у его соучеников, соблюдающих температурный режим приготовления мороженого.

Пытаясь уяснить сущность явления, мальчик обратился к учителю физики, который, не вдаваясь в подробности, высмеял его кулинарные опыты. Однако Эрасто отличался завидным упорством и продолжил свои эксперименты уже не на молоке, а на воде. Он убедился, что в ряде случаев замерзание горячей воды происходит быстрее, чем холодной.

Поступив в университет в Дар-эс-Саламе (University of Dar es Salaam), Эрасто Мпембе посетил лекцию профессора Дениса Г. Осборна (Dennis G. Osborne). После её окончания студент озадачил ученого проблемой о скорости замерзания воды в зависимости от ее температуры. Д.Г. Осборн высмеял саму постановку вопроса, заявив с апломбом, что любому двоечнику известно, что холодная вода замерзнет быстрее. Однако природное упорство юноши дало о себе знать. Он заключил с профессором пари, предложив здесь же, в лаборатории, провести экспериментальную проверку. Эрасто поместил в морозилку два контейнера с водой, температура которой в одном была равной 95°F (35°C), а во втором – 212°F (100°C). Каково же было удивление профессора и окружающих «болельщиков», когда вода во втором контейнере замерзла быстрее. С тех пор это явление получило название «Парадокса Мпембы».

Однако до настоящего времени нет стройной теоретической гипотезы, объясняющей «Парадокс Мпембы». Не ясно, какие внешние факторы, химический состав воды, наличие в ней растворенных газов и минеральных веществ оказывают влияние на скорость замерзания жидкостей, находящихся при разных температурах. Парадоксальность «Эффекта Мпембы» в том, что он противоречит одному из законов, открытых еще И. Ньютоном, который гласит, что время остывания воды прямо пропорционально разности температур жидкости и окружающей среды. И если все остальные жидкости полностью подчиняются этому закону, то вода в ряде случаев является исключением.

Почему горячая вода быстрее замерзае т

Существует несколько версий, почему горячая вода замерзает быстрее холодной. Основными из них считаются:

горячая вода быстрее испаряется, при этом уменьшается ее объем, а меньший объем жидкости остывает быстрее – при охлаждении воды от + 100°С до 0°С объемные потери при атмосферном давлении достигают 15%;
интенсивность теплообмена между жидкостью и окружающей средой тем выше, чем больше разница температур, поэтому тепловые потери кипятка проходят быстрее;
при остывании горячей воды на ее поверхности образуется корочка льда, препятствующая полному промерзанию жидкости и ее испарению;
при высокой температуре воды происходит ее конвекционное перемешивание, сокращающее время замерзания;
растворенные в воде газы понижают точку замерзания, отбирая энергию на кристаллообразование, – в горячей воде растворенные газы отсутствуют.

Все эти условия неоднократно подвергались экспериментальной проверке. В частности, германский ученый Давид Ауэрбах (David Auerbach) обнаружил, что температура кристаллизации горячей воды несколько выше, чем у холодной, что делает возможным более быстрое замерзание первой. Однако позднее его опыты были подвергнуты критике и многие ученые убеждены, что «Эффект Мпембы» о том, какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная, можно воспроизвести только в определенных условиях, поисками и конкретизацией которых до настоящего времени никто не занимался.

" мы уже сталкивались с некоторыми интересными свойствами воды, которые позволяют жить и нам в частности, и живым существам вообще. Продолжим тему и предлагаем вашему вниманию ещё одно интересное свойство (правда, непонятно, истинное или вымышленное).

Интересно о воде — эффект Мпембы: знаете ли вы, что по интернету ходят слухи о том, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная? Вы, возможно, не знаете, а эти слухи ходят. Причём весьма упорные. Так о чём же идёт речь — об ошибке эксперимента или о новом, интересном свойстве воды, которое до сих пор не было изучено?

Давайте разберёмся. Легенда, повторяющаяся от сайта к сайту, такова: 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. 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.

Второй вариант легенты — Мпемба обратился к великому учёному, который по-счастью, находился рядом с африканской школой Мпембы. А учёный поверил мальчику и перепроверил, что к чему. Ну и пошло-поехало… 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.

Итак, мы имеем эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода (при некоторых условиях) может замёрзнуть быстрее, чем холодная. Хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания.

Соответственно, для того, чтобы разобраться с парадоксом, есть два пути. Первый — начать обЪяснять это явление, придумывать теории и радоваться, что вода — таинственная жидкость. А можно пойти по другому пути — самостоятельно провести этот эксперимент. И сделать соответствующие выводы.

Давайте обратимся к людям, которые действительно провели этот опыт, пытаясь воспроизвести эффект Мпембы. А заодно посмотрим на небольшое исследование, определяющее, "откуда ноги растут".

На русском языке сообщение об эффекте Мпембы впервые появилось 42 года назад, о чём, рассказал журнал „Химия и жизнь“ (1970, № 1, с. 89). Будучи добросовестными, сотрудники „Химии и жизни“ решили сами провести опыты и убедились: „горячее молоко упорно не желало замерзать первым“. Такому результату было дано естественное объяснение: „Горячая жидкость не должна замерзать раньше. Ведь её температура должна сначала сравняться с температурой холодной жидкости".

Один из читателей „Химии и жизни“ сообщил о своих опытах следующее (1970, № 9, с. 81). Он доводил молоко до кипения, охлаждал до комнатной температуры и ставил в холодильник одновременно с некипячёным молоком, тоже имевшим комнатную температуру. Кипячёное молоко застывало быстрее. Тот же эффект, но более слабый достигался при нагревании молока до 60°C, а не до кипения. Кипячение могло иметь принципиальное значение : при этом испарится часть воды и улетучится более лёгкая часть жиров. В результате температура замерзания может измениться. Кроме того, при нагревании и тем более при кипячении возможны и какие-то химические превращения органической части молока.

Но „испорченный телефон“ уже заработал, и через 25 с лишним лет эту историю описывали так: „Порция мороженого быстрее становится холодной, если её засунуть в холодильник, предварительно хорошенько прогрев, чем если её сперва оставить при холодной температуре“ („Знание — сила“, 1997, № 10, с. 100). Про молоко стали постепенно забывать, и речь пошла в основном о воде.

Через 13 лет в той же „Химии и жизни“ появился такой диалог: „Если на мороз вынести две чашки — с холодной и с горячей водой, — то какая вода быстрее замёрзнет?.. Дождитесь зимы и проверьте: горячая вода замёрзнет быстрее“ (1993, № 9, с. 79). Ещё через год последовало письмо одного добросовестного читателя, который зимой старательно выносил на мороз чашки с холодной и горячей водой и убедился, что холодная замерзает быстрее (1994, № 11, с. 62).

Подобный опыт был проведён с помощью холодильника, у которого морозильник покрывается толстым слоем инея. Когда я ставил на этот морозильник стаканчики с горячей и с холодной водой, то иней под стаканчиками с горячей водой подтаивал, они опускались и вода в них замерзала быстрее. Когда же я ставил на иней рюмки, то эффект не наблюдался, поскольку иней под рюмками не подтаивал. Не наблюдался эффект и тогда, когда после размораживания холодильника я ставил стаканчики на не покрытый инеем морозильник. Это доказывает, что причиной эффекта является подтаивание инея под стаканчиками с горячей водой („Химия и жизнь“ 2000, № 2, с. 55).

Рассказ о парадоксе, замеченном танзанийским мальчиком, неоднократно сопровождался многозначительным замечанием — мол, не следует пренебрегать никакой, даже весьма странной, информацией. Пожелание благое, но нереализуемое. Если мы не будем предварительно отсеивать ненадёжную информацию, то мы в ней утонем. А неправдоподобная информация чаще всего бывает неверной. К тому же, часто бывает (как и в случае с эффектом Мпембы), что неправдоподобие является следствием искажения информации в процессе передачи.

Таким образом, интересно о воде вообще, и эффект Мпембы в частности — не всегда правда 🙂

Более подробно — на страничке http://wsyachina.narod.ru/physics/mpemba.html

Британское Королевское химическое общество предлагает награду в 1 тысячу фунтов стерлингов тому, кто сможет объяснить с научной точки зрения, почему в некоторых случаях горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

«Современная наука все еще не может ответить на этот простой на первый взгляд вопрос. Производители мороженого и бармены используют этот эффект в своей повседневной работе, но никто в действительности не знает, почему это работает. Эта проблема известна уже тысячелетия, такие философы, как Аристотель и Декарт размышляли о ней», - сказал президент Британского Королевского химического общества, профессор Дэвид Филипс, слова которого приводятся в пресс-релизе Общества.

Как поваренок из Африки победил британского профессора физики

Это не первоапрельская шутка, а суровая физическая реальность. Нынешняя наука, с легкостью оперирующая галактиками и черными дырами, строящая гигантские ускорители для поиска кварков и бозонов, не может пояснить, как «работает» элементарная вода. Школьный учебник однозначно утверждает, что для охлаждения более нагретого тела требуется больше времени, чем для охлаждения тела холодного. А вот для воды данный закон соблюдается не всегда. На этот парадокс обращал внимание еще Аристотель в 4 веке до н. э. Вот что писал древний грек в книге «Meteorologica I»: «Тот факт, что вода предварительно нагревается, способствует ее замерзанию. Поэтому многие люди, когда они хотят быстрей охладить горячую воду, сначала ставят ее на солнце...» В средние века данный феномен пытались объяснить Френсис Бэкон и Рене Декарт. Увы, это не удалось ни великим философам, ни многочисленным ученым, развивавшим классическую теплофизику, а посему о таком неудобном факте надолго «забыли».

И только в 1968 году «вспомнили» благодаря школьнику Эрасто Мпембе из далекой от всякой науки Танзании. Обучаясь в щколе поварского искусства, в 1963 году 13-летний Мпембе получил задание сделать мороженое. По технологии, надо было вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был усердным учеником и замешкался. 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 всем правилам.

Когда Мпемба поделился своим открытием с учителем физики, тот поднял его на смех перед всем классом. Мпемба запомнил обиду. Через пять лет, уже будучи студентом университета в Дар-эс-Саламе, он оказался на лекции известного физика Дениса Г. Осборна. После лекции он задал ученому вопрос: «Если вы возьмете два одинаковых контейнера с равным количеством воды, один с температурой 35 °C (95 °F) , а другой - 100 °C (212 °F) , и поместите их в морозильник, то вода в горячем контейнере замерзнет быстрей. Почему?» Можете себе представить реакцию британского профессора на вопрос юноши из забытой Богом Танзании. Он высмеял студента. Однако Мпемба был готов к такому ответу и вызвал ученого на пари. Их спор завершился экспериментальной проверкой, подтвердившей правоту Мпембы и поражение Осборна. Так ученик-поваренок вписал свое имя в историю науки, и отныне этот феномен носит название «эффекта Мпембы». Отбросить его, объявить как бы «несуществующим» не получается. Явление существует, и, как писал поэт, «ни в зуб ногой».

Виноваты пылинки и растворенные вещества?

За прошедшие годы многие пытались разгадать тайну замерзающей воды. Был предложен целый букет объяснений этого явления: испарение, конвекция, влияние растворенных веществ - но ни один из этих факторов нельзя признать окончательным. Ряд ученых посвятил эффекту Мпемба всю жизнь. Сотрудник кафедры радиационной безопасности Государственного университета Нью-Йорка – Джеймс Браунридж (James Brownridge) – в свободное время занимается изучением парадокса вот уже на протяжении десятилетия. Проведя сотни экспериментов, учёный утверждает, что имеет доказательства «вины» переохлаждения. Браунридж объясняет, что при 0°С вода лишь переохлаждается, а замерзать начинает, когда температура опускается ниже. Точка замерзания регулируется находящимися в воде примесями - именно они изменяют скорость формирования кристалликов льда. Примеси, а это пылинки, бактерии и растворённые соли, имеют характерную для них температуру нуклеации, когда вокруг центров кристаллизации формируются кристаллики льда. Когда в воде находятся сразу несколько элементов, температура замерзания определяется тем из них, который имеет самую высокую температуру нуклеации.

Для опыта Браунридж взял две пробы воды одинаковой температуры и поместил их в морозильную камеру. Он обнаружил, что один из экземпляров всегда замерзает раньше другого – предположительно, из-за разного сочетания примесей.

Браунридж утверждает, что горячая вода остывает быстрее из-за большей разницы между температурами воды и морозильной камеры – это помогает ей достичь своей точки замерзания прежде, чем холодная вода достигнет своей естественной точки замерзания, которая ниже, по крайней мере, на 5° С.

Впрочем, рассуждения Браунриджа вызывают много вопросов. Поэтому у тех, кто сумеет по-своему объяснить эффект Мпембы, есть шанс побороться за тысячу фунтов стерлингов от Британского королевского химического общества.

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.