Тепла вода замерзає швидше за холодну. Розкрито секрет швидкого застигання гарячої води

Ефект Мпемби(Парадокс Мпемби) - парадокс, який свідчить, що гаряча вода за певних умов замерзає швидше, ніж холодна, хоча у своїй вона має пройти температуру холодної води у процесі замерзання. Даний парадокс є експериментальним фактом, що суперечить звичайним уявленням, згідно з якими при одних і тих же умовах нагрітішому тілу для охолодження до деякої температури потрібно більше часу, ніж менш нагрітому тілу для охолодження до тієї ж температури.

Цей феномен помічали свого часу Арістотель, Френсіс Бекон і Рене Декарт, проте лише 1963 року танзанійський школяр Ерасто Мпемба встановив, що гаряча суміш морозива замерзає швидше, ніж холодна.

Будучи учнем Магамбінської середньої школи Танзанії Ерасто Мпемба робив практичну роботу з кухарському справі. Йому потрібно було виготовити саморобне морозиво – закип'ятити молоко, розчинити в ньому цукор, охолодити його до кімнатної температури, а потім поставити в холодильник для замерзання. Очевидно, Мпемба був особливо старанним учнем і зволікав з виконанням першої частини завдання. 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 заданою технологією.

Після цього Мпемба експериментував не лише з молоком, а й із звичайною водою. У всякому разі, вже будучи учнем Мквавської середньої школи він поставив питання професору Деннісу Осборну з університетського коледжу в Дар-Ес-Саламі (запрошеному директором школи прочитати учням лекцію з фізики) саме з приводу води: "Якщо взяти два однакові контейнери з рівними обсягами води так, що в одному з них вода має температуру 35 ° С, а в іншому - 100 ° С, і поставити їх в морозилку, то в другому вода замерзне швидше. Чому? Осборн зацікавився цим питанням і невдовзі 1969 року разом із Мпембой опублікували результати своїх експериментів у журналі " Physics Education " . З того часу виявлений ними ефект називається ефектом Мпемби.

Досі ніхто достеменно не знає, як пояснити цей дивний ефект. Вчені не мають єдиної версії, хоча існує багато. Вся справа в різниці властивостей гарячої та холодної води, але поки не зрозуміло, які саме властивості відіграють роль у цьому випадку: різниця у переохолодженні, випаровуванні, формуванні льоду, конвекції чи дії розріджених газів на воду за різних температур.

Парадоксальність ефекту Мпемби в тому, що час, протягом якого тіло остигає до температури навколишнього середовища, має бути пропорційно різниці температур цього тіла та навколишнього середовища. Цей закон було встановлено ще Ньютоном і з того часу багато разів підтверджувався практично. У цьому ж ефект вода з температурою 100°С остигає до температури 0°С швидше, ніж така ж кількість води з температурою 35°С.

Тим не менш, це ще не передбачає парадокс, оскільки ефект Мпемби можна знайти пояснення і в рамках відомої фізики. Ось кілька пояснень ефекту Мпемби:

Випаровування

Гаряча вода швидше випаровується з контейнера, зменшуючи цим свій об'єм, а менший об'єм води з тією ж температурою замерзає швидше. Нагріта до 100°С вода втрачає 16% своєї маси при охолодженні до 0°С.

Ефект випаровування – подвійний ефект. По-перше, зменшується маса води, яка потрібна для охолодження. І по-друге, знижується температура через те, що зменшується теплота випаровування переходу з фази води у фазу пари.

Різниця температур

Через те, що різниця температур між гарячою водою і холодним повітрям більша - отже теплообмін у цьому випадку йде інтенсивніше і гаряча вода швидше охолоджується.

Переохолодження

Коли вода охолоджується нижче 0°С вона не завжди замерзає. За деяких умов вона може перетерпіти переохолодження, продовжуючи залишатися рідкою при температурах нижче температури точки замерзання. У деяких випадках вода може залишатися рідкою навіть за температури –20°С.

Причина цього ефекту в тому, що для того, щоб почали формуватися перші кристали льоду, потрібні центри кристалоутворення. Якщо їх немає в рідкій воді, тоді переохолодження продовжуватиметься доти, доки температура не знизиться настільки, що кристали почнуть формуватися спонтанно. Коли вони почнуть формуватися в переохолодженій рідині, вони почнуть рости швидше, формуючи льодову шугу, яка замерзаючи, утворюватиме лід.

Гаряча вода найбільше схильна до переохолодження оскільки її нагрівання усуває розчинені гази і бульбашки, які у свою чергу, можуть служити центрами утворення кристалів льоду.

Чому ж переохолодження змушує гарячу воду застигати швидше? У випадку холодної води, яка не переохолоджується відбувається наступне. У цьому випадку тонкий шар льоду утворюватиметься на поверхні судини. Цей шар льоду діятиме як ізолятор між водою та холодним повітрям і перешкоджатиме подальшому випаровуванню. Швидкість формування кристалів льоду у разі буде менше. У разі гарячої води, що піддається переохолодженню, переохолоджена вода не має захисного поверхневого шару льоду. Тому вона втрачає тепло набагато швидше через відкритий верх.

Коли процес переохолодження закінчується і вода замерзає, втрачається набагато більше тепла і тому формується більше льоду.

Багато дослідників цього ефекту вважають переохолодження головним чинником у разі ефектом Мпемба.

Конвекція

Холодна вода починає замерзати зверху, погіршуючи тим самим процеси тепловипромінювання та конвекції, а значить і втрату тепла, тоді як гаряча вода починає замерзати знизу.

Пояснюється цей ефект аномалією густини води. Вода має максимальну щільність при 4 °C. Якщо охолодити воду до 4 °C і покласти її при нижчій температурі, поверхневий шар води замерзне швидше. Тому що ця вода менш щільна ніж вода за температури 4 С, вона залишиться на поверхні, формуючи тонкий холодний шар. За цих умов тонкий шар льоду буде формуватися на поверхні води протягом короткого часу, але цей шар льоду служитиме ізолятором, що захищає нижні шари води, які залишатимуться при температурі 4 С. Тому подальший процес охолодження проходитиме повільніше.

У випадку гарячої води ситуація зовсім інша. Поверхневий шар води охолоджуватиметься швидше за рахунок випаровування та більшої різниці температур. Крім того, холодний шари води більш щільні, ніж шари гарячої води, тому шар холодної води опускатиметься вниз, піднімаючи шар теплої води на поверхню. Така циркуляція води забезпечує швидке зниження температури.

Але чому цей процес не досягає точки рівноваги? Для пояснення ефекту Мпемби з цього погляду конвекції слід було б прийняти, що холодні і гарячі шари води розділені і процес конвекції триває після того, як середня температура води опуститься нижче 4 С.

Однак, немає експериментальних даних, які б підтверджували цю гіпотезу, що холодні та гарячі шари води розділені в процесі конвекції.

Розчинені у воді гази

Вода завжди містить розчинені у ній гази – кисень та вуглекислий газ. Ці гази мають здатність зменшувати точку замерзання води. Коли вода нагріта, ці гази виділяються з води, оскільки їх розчинність у воді за високої температури нижче. Тому коли гаряча вода охолоджується, у ній завжди менше розчинених газів, ніж у не нагрітій холодній воді. Тому точка замерзання нагрітої води вища і вона замерзає швидше. Цей фактор іноді розглядається як головний при поясненні ефекту Мпемби, хоча жодних експериментальних даних, що підтверджують цей факт, немає.

Теплопровідність

Цей механізм може відігравати істотну роль, коли вода поміщається в морозильник холодильної камери в невеликих контейнерах. У цих умовах помічено, що контейнер з гарячою водою протує під собою лід морозильної камери, покращуючи тим самим тепловий контакт зі стінкою морозилки та теплопровідність. Внаслідок чого тепло відводиться від контейнера з гарячою водою швидше, ніж від холодного. У свою чергу контейнер із холодною водою не протаює під собою сніг.

Всі ці (і навіть інші) умови вивчалися у багатьох експериментах, але однозначної відповіді питання - які їх забезпечують стовідсоткове відтворення ефекту Мпембы - не було отримано.

Так, наприклад, 1995 року німецький фізик Давид Ауербах вивчав вплив переохолодження води на цей ефект. Він виявив, що гаряча вода, досягаючи переохолодженого стану, замерзає за вищої температури, ніж холодна, отже швидше останньої. Зате холодна вода досягає переохолодженого стану швидше за гарячу, компенсуючи тим самим попереднє відставання.

Крім того, результати Ауербаха суперечили отриманим раніше даними, що гаряча вода здатна досягти більшого переохолодження через меншу кількість центрів кристалізації. При нагріванні води з неї видаляються розчинені в ній гази, а при її кип'ятінні випадають в осад деякі розчинені в ній солі.

Стверджувати поки що можна лише одне - відтворення цього ефекту істотно залежить від умов, у яких проводиться експеримент. Саме тому, що він відтворюється далеко не завжди.

О. В. Мосін

Літературніджерела:

"Hot water freezes faster than cold water. Why does it do so?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.

"Freezing of Hot and Cold Water", G.S. Kell в American Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, в American Journal of Physics, Vol. 63, No. 10, pp 882-885; Oct, 1995.

"The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water", Charles A. Knight, в American Journal of Physics, Vol. 64, No. 5, p 524; May, 1996.

У 1963 році школяр з Танзанії на ім'я Ераст Мпемба поставив своєму вчителю дурне питання - чому в його морозилці тепле морозиво замерзає швидше, ніж холодне?

Будучи учнем Магамбінської середньої школи Танзанії Ерасто Мпемба робив практичну роботу з кухарському справі. Йому потрібно було виготовити саморобне морозиво - закип'ятити молоко, розчинити в ньому цукор, охолодити його до кімнатної температури, а потім поставити в холодильник для замерзання. Очевидно, Мпемба був особливо старанним учнем і зволікав з виконанням першої частини завдання. 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 заданою технологією.

Він звернувся за роз'ясненнями до вчителя фізики, але той лише посміявся з учня, сказавши наступне: «Це не всесвітня фізика, а фізика Мпемби». Після цього Мпемба експериментував не лише з молоком, а й із звичайною водою.

У всякому разі, вже будучи учнем Мквавської середньої школи, він поставив питання професору Деннісу Осборну з університетського коледжу в Дар-Ес-Саламі (запрошеному директором школи прочитати учням лекцію з фізики) саме з приводу води: «Якщо взяти два однакові контейнери з рівними обсягами води так, що в одному з них вода має температуру 35 ° С, а в іншому - 100 ° С, і поставити їх в морозилку, то в другому вода замерзне швидше. Чому? Осборн зацікавився цим питанням і невдовзі 1969 року разом із Мпембой опублікували результати своїх експериментів у журналі «Physics Education». З того часу виявлений ними ефект називається ефектом Мпемби.

Вам цікаво дізнатися, чому так відбувається? Буквально кілька років тому вченим вдалося пояснити це явище.

Ефект Мпемби (Парадокс Мпемби) – парадокс, який свідчить, що гаряча вода за певних умов замерзає швидше, ніж холодна, хоча вона повинна пройти температуру холодної води у процесі замерзання. Даний парадокс є експериментальним фактом, що суперечить звичайним уявленням, згідно з якими при одних і тих же умовах нагрітішому тілу для охолодження до деякої температури потрібно більше часу, ніж менш нагрітому тілу для охолодження до тієї ж температури.

Цей феномен помічали свого часу Арістотель, Френсіс Бекон і Рене Декарт. Досі ніхто достеменно не знає, як пояснити цей дивний ефект. Вчені не мають єдиної версії, хоча існує багато. Вся справа в різниці властивостей гарячої та холодної води, але поки не зрозуміло, які саме властивості відіграють роль у цьому випадку: різниця у переохолодженні, випаровуванні, формуванні льоду, конвекції чи дії розріджених газів на воду за різних температур. Парадоксальність ефекту Мпемби в тому, що час, протягом якого тіло остигає до температури навколишнього середовища, має бути пропорційно різниці температур цього тіла та навколишнього середовища. Цей закон було встановлено ще Ньютоном і з того часу багато разів підтверджувався практично. У цьому ж ефект вода з температурою 100°С остигає до температури 0°С швидше, ніж така ж кількість води з температурою 35°С.

З того часу висловлювалися різні версії, одна з яких звучала наступним чином: частина гарячої води спочатку просто випаровується, а потім, коли залишилася менша її кількість, вода застигає швидше. Ця версія, через свою простоту, стала найпопулярнішою, але вчених задовольняла не повністю.

Нині команда дослідників із Технологічного університету Наньян у Сінгапурі (Nanyang Technological University) на чолі з хіміком Сі Чжаном (Xi Zhang) заявила, що їм вдалося розв'язати вікову загадку про те, чому тепла вода застигає швидше, ніж холодна. Як з'ясували китайські фахівці, секрет у кількості енергії, запасеної у водневих зв'язках між молекулами води.

Як відомо, молекули води складаються з одного атома кисню та двох атомів водню, які утримуються разом ковалентними зв'язками, що на рівні частинок виглядає як обмін електронами. Інший відомий факт у тому, що атоми водню притягуються до атомів кисню із сусідніх молекул - у своїй утворюються водневі зв'язку.

У цей час молекули води загалом відштовхуються друг від друга. Вчені із Сінгапуру помітили: чим тепліша вода, тим більшою виявляється відстань між молекулами рідини через збільшення відштовхувальних сил. У результаті водневі зв'язки розтягуються, отже, запасають велику енергію. Ця енергія вивільняється при охолодженні води – молекули зближуються одна з одною. А віддача енергії, як відомо, означає охолодження.

Ось які припущення висуваються вченими:

Випаровування

Гаряча вода швидше випаровується з контейнера, зменшуючи цим свій об'єм, а менший об'єм води з тією ж температурою замерзає швидше. Нагріта до 100°С вода втрачає 16% власної маси при охолодженні до 0°С. Ефект випаровування – подвійний ефект. По-перше, зменшується маса води, яка потрібна для охолодження. І по-друге, через випаровування знижується її температура.

Різниця температур

Через те, що різниця температур між гарячою водою та холодним повітрям більша – отже, теплообмін у цьому випадку йде інтенсивніше і гаряча вода швидше охолоджується.

Переохолодження
Коли вода охолоджується нижче 0°С вона завжди замерзає. За деяких умов вона може перетерпіти переохолодження, продовжуючи залишатися рідкою при температурах нижче температури точки замерзання. У деяких випадках вода може залишатися рідкою навіть за температури –20°С. Причина цього в тому, що для того, щоб почали формуватися перші кристали льоду, потрібні центри кристалоутворення. Якщо їх немає в рідкій воді, тоді переохолодження продовжуватиметься доти, доки температура не знизиться настільки, що кристали почнуть формуватися спонтанно. Коли вони почнуть формуватися в переохолодженій рідині, вони почнуть рости швидше, формуючи льодову шугу, яка замерзаючи, утворюватиме лід. Гаряча вода найбільше схильна до переохолодження оскільки її нагрівання усуває розчинені гази і бульбашки, які у свою чергу, можуть служити центрами утворення кристалів льоду. Чому ж переохолодження змушує гарячу воду застигати швидше? У випадку холодної води, яка не переохолоджується, відбувається наступне: на її поверхні утворюється тонкий шар льоду, який діє як ізолятор між водою і холодним повітрям, і тим самим перешкоджає подальшому випаровуванню. Швидкість формування кристалів льоду у разі буде менше. У разі гарячої води, що піддається переохолодженню, переохолоджена вода не має захисного поверхневого шару льоду. Тому вона втрачає тепло набагато швидше через відкритий верх. Коли процес переохолодження закінчується і вода замерзає, втрачається набагато більше тепла і тому формується більше льоду. Багато дослідників цього ефекту вважають переохолодження головним чинником у разі ефектом Мпемба.
Конвекція

Холодна вода починає замерзати зверху, погіршуючи тим самим процеси тепловипромінювання та конвекції, а значить і втрату тепла, тоді як гаряча вода починає замерзати знизу. Пояснюється цей ефект аномалією густини води. Вода має максимальну густину при 4°С. Якщо охолодити воду до 4°С і помістити в середу з нижчою температурою, поверхневий шар води замерзне швидше. Тому що ця вода менш щільна ніж вода за температури 4°С, вона залишиться на поверхні, формуючи тонкий холодний шар. За цих умов тонкий шар льоду буде формуватися на поверхні води протягом короткого часу, але цей шар льоду служитиме ізолятором, що захищає нижні шари води, які залишатимуться за температури 4°С. Тому подальший процес охолодження проходитиме повільніше. У випадку гарячої води ситуація зовсім інша. Поверхневий шар води охолоджуватиметься швидше за рахунок випаровування та більшої різниці температур. Крім того, холодні шари води більш щільні, ніж шари гарячої води, тому шар холодної води опускатиметься вниз, піднімаючи шар теплої води на поверхню. Така циркуляція води забезпечує швидке зниження температури. Але чому цей процес не досягає точки рівноваги? Для пояснення ефекту Мпемби з погляду конвекції слід було б прийняти, що холодні і гарячі шари води розділені і процес конвекції триває після того, як середня температура води опуститься нижче 4°С. Однак немає експериментальних даних, які б підтверджували цю гіпотезу, що холодні та гарячі шари води розділені в процесі конвекції.

Розчинені у воді гази

Вода завжди містить розчинені у ній гази – кисень та вуглекислий газ. Ці гази мають здатність зменшувати точку замерзання води. Коли вода нагріта, ці гази виділяються з води, оскільки їх розчинність у воді за високої температури нижче. Тому коли гаряча вода охолоджується, у ній завжди менше розчинених газів, ніж у не нагрітій холодній воді. Тому точка замерзання нагрітої води вища, і вона замерзає швидше. Цей фактор іноді розглядається як головний при поясненні ефекту Мпемби, хоча жодних експериментальних даних, що підтверджують цей факт, немає.

Теплопровідність

Цей механізм може відігравати істотну роль, коли вода поміщається в морозильник холодильної камери у невеликих контейнерах. У цих умовах помічено, що контейнер з гарячою водою протує під собою лід морозильної камери, покращуючи тим самим тепловий контакт зі стінкою морозилки та теплопровідність. Внаслідок чого тепло відводиться від контейнера з гарячою водою швидше, ніж від холодного. У свою чергу контейнер із холодною водою не протаює під собою сніг. Всі ці (і навіть інші) умови вивчалися у багатьох експериментах, але однозначної відповіді питання – які їх забезпечують стовідсоткове відтворення ефекту Мпембы – не було отримано. Так, наприклад, 1995 року німецький фізик Давид Ауербах вивчав вплив переохолодження води на цей ефект. Він виявив, що гаряча вода, досягаючи переохолодженого стану, замерзає за вищої температури, ніж холодна, отже швидше останньої. Зате холодна вода досягає переохолодженого стану швидше за гарячу, компенсуючи тим самим попереднє відставання. Крім того, результати Ауербаха суперечили отриманим раніше даними, що гаряча вода здатна досягти більшого переохолодження через меншу кількість центрів кристалізації. При нагріванні води з неї видаляються розчинені в ній гази, а при її кип'ятінні випадають в осад деякі розчинені в ній солі. Стверджувати поки що можна лише одне – відтворення цього ефекту істотно залежить від умов, у яких проводиться експеримент. Саме тому, що він відтворюється далеко не завжди.

А от як кажуть, найімовірніша причина.

Як пишуть хіміки у своїй статті, яку можна знайти на сайті препринтів arXiv.org, у гарячій воді водневі зв'язки натягуються сильніше, ніж у холодній. Отже, виявляється, що у водневих зв'язках гарячої води зберігається більше енергії, отже, її вивільняється більше за охолодженні до мінусових температур. З цієї причини застигання відбувається швидше.

На сьогоднішній день вчені розгадали цю загадку лише теоретично. Коли вони представлять переконливі докази своєї версії, то питання про те, чому гаряча вода застигає швидше за холодну, можна буде вважати закритим.

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 ця унікальна властивість води була відзначена 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 холодною та гарячою водою, — то яка вода швидше замерзне?.. Дочекайтеся зими та перевірте: гаряча вода замерзне швидше“ ( 1993 № 9, с.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

Одним із моїх найулюбленіших предметів у школі була хімія. Якось викладач хімії дав нам дуже дивне і важке завдання. Він дав нам список питань, на які ми мали відповісти з точки зору хімії. На це завдання нам дали кілька днів та дозволили користуватися бібліотеками та іншими доступними джерелами інформації. Одне з цих питань стосувалося температури замерзання води. Я точно не пам'ятаю, як звучало питання, але йшлося про те, що якщо взяти два дерев'яні відра однакового розміру, одне з гарячою водою, інше з холодною (з точно вказаною температурою), і помістити їх у середу з певною температурою, яке з їх замерзне швидше? Звичайно, відразу ж напрошувалася відповідь – цебро з холодною водою, але нам здалося це занадто просто. Але цього було недостатньо, щоб дати повну відповідь, нам треба було довести це з хімічної точки зору. Незважаючи на всі мої роздуми та дослідження, я не зміг зробити логічного висновку. Цього дня я навіть вирішив пропустити цей урок, тож я так і не впізнав рішення цієї загадки.

Минули роки, і я дізнався багато побутових міфів про температуру кипіння та замерзання води, і один міф говорив: гаряча вода замерзає швидше. Я переглянув безліч веб-сайтів, але інформація була занадто суперечливою. І це були лише думки, необгрунтовані з погляду науки. І я наважився провести власний досвід. Оскільки мені не вдалося знайти дерев'яні відра, я використав морозильну камеру, плиту, трохи води та цифровий термометр. Про результати мого досвіду я розповім трохи згодом. Спочатку я поділюся з вами деякими цікавими аргументами щодо води:

Гаряча вода замерзає швидше за холодну. Більшість експертів стверджують, що холодна вода замерзне швидше за гарячу. Але одне кумедне явищ (так званий ефект Мемба), з незрозумілих причин, доводить протилежне: Гаряча вода замерзає швидше за холодну. Одним з кількох пояснень є процес випаровування: якщо дуже гарячу воду помістити в холодне середовище, то вода почне випаровуватися (кількість води, що залишилася, замерзне швидше). І згідно із законами хімії це зовсім не міф, і найімовірніше саме це викладач хотів від нас почути.

Кип'ячена вода замерзає швидше за водопровідну воду. Незважаючи на попереднє пояснення, деякі експерти стверджують, що кип'ячена вода, що остигнула до кімнатної температури, має замерзнути швидше, тому що в результаті кипіння скорочується кількість кисню.

Холодна вода закипає швидше за гарячу воду. Якщо гаряча вода замерзає швидше, можливо холодна вода швидше закипає! Це суперечить здоровому глузду і вчені стверджують, що цього не може бути. Гаряча вода з крана насправді має закипати швидше, ніж холодна. Але, використовуючи гарячу воду для кип'ятіння, ви не заощаджуєте енергію. Можливо ви і витратите менше газу або світла, але водонагрівач буде використовувати ту саму кількість енергії, яка потрібна для нагрівання холодної води. (З сонячною енергією справа трохи інакша). В результаті нагрівання води водонагрівачем може з'явитися осад, тому вода буде нагріватися довше.

Якщо у воду додати сіль, вона закипить швидше. Сіль підвищує температуру кипіння (і відповідно знижує температуру замерзання – ось чому деякі господині додають у морозиво трохи кам'яної солі). Але нас у цьому випадку цікавить інше питання: як довго вода закипатиме і чи може температура кипіння в цьому випадку піднятися вище 100°C). Незважаючи на те, що пишуть у кулінарних книгах, вчені стверджують, що кількість солі, яку ми додаємо в киплячу воду, недостатня для того, щоб вплинути на час або температуру кипіння.

Але ось що вийшло у мене:

Холодна вода: я використовував три скляні склянки по 100 мл очищеної води: одна склянка з кімнатною температурою (72°F/22°C), одна - з гарячою водою (115°F/46°C), і одна з кип'яченою (212 °F/100°C). Усі три склянки я помістив у морозильну камеру за температури –18°C. І оскільки я знав, що вода не відразу перетвориться на кригу, ступінь заморожування я визначав по «дерев'яному поплавцю». Коли паличка, поміщена в центр склянки, більше не торкалася основи, я вважав, що вода замерзла. Склянки я перевіряв кожні п'ять хвилин. І які мої результати? Вода в першій склянці стала через 50 хвилин. Гаряча вода замерзла за 80 хвилин. Кип'ячена – через 95 хвилин. Мої висновки: враховуючи умови в морозильній камері та воду, яку я використав, мені не вдалося відтворити ефект Мемба.

Я також пробував провести такий досвід із раніше кип'яченою водою, що охолола до кімнатної температури. Вона замерзла через 60 хвилин - все одно знадобилося більше часу, ніж замерзання холодної води.

Кип'ячена вода: я взяв літр води за кімнатної температури і поставив її на вогонь. Вона закипіла за шість хвилин. Потім я знову її охолодив до кімнатної температури і додав її в гарячу. При такому ж вогні гаряча вода закипіла за 4 години та 30 хвилин. Висновок: як і очікувалося, гаряча вода закипає значно швидше.

Кип'ячена вода (з сіллю): я додав 2 великі ложки столової солі на 1 літр води. Вона закипіла через 6 хвилин 33 секунди, і, як показав термометр, досягла температури 102°C. Сіль впливає на температуру кипіння, але не сильно. Висновок: сіль у воді не сильно впливає на температуру і час кипіння. Я чесно визнаю, що мою кухню важко назвати лабораторією, і, можливо, мої висновки суперечать дійсності. Моя морозильна камера може нерівномірно заморожувати продукти. Мої скляні склянки могли бути неправильної форми, і т.д. Але що б не вийшло в лабораторних умовах, коли йдеться про заморожування чи кип'ятіння води на кухні, найголовніше – це здоровий глузд.

посилання з цікавими фактами про воду все про воду
Як підказали на форумі forum.ixbt.com цей ефект (ефект замерзання гарячої води швидше ніж холодної) називається "ефект Аристотеля-Мпемби"

Тобто. швидше замерзає кип'ячена вода (охолоджена) ніж "сира"

У старій добрій формулі H 2 O, здавалося б, не укладено жодних таємниць. Але насправді вода - джерело життя і найвідоміша рідина у світі - таїть у собі безліч загадок, які часом не під силу розгадати навіть ученим.

Перед вами 5 найцікавіших фактів про воду:

1. Гаряча вода замерзає швидше за холодну

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, хоча за логікою речей, першою повинна була перетворитися на лід холодна вода: адже гарячій воді треба спочатку охолонути до температури холодної, а потім уже перетворюватися на лід, тоді як холодній воді остигати не треба. Чому так відбувається?

У 1963 році Ерасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba), учень старших класів середньої школи в Танзанії, 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.

Тепер цей феномен гарячої води, що замерзає швидше за холодну, носить назву "ефект Мпемба". Щоправда, за довго до нього ця унікальна властивість води була відзначена Аристотелем, Френсісом Беконом та Рене Декартом.

Примітка від Х.RU до теми "Гаряча вода замерзає швидше за холодну".

Так як питання охолодження, нам, холодильникам, ближчі, то дозволимо собі дещо заглибитися в суть даної проблеми і наведемо дві думки про природу такого загадкового явища.

1. Вчений із Вашингтонського університету запропонував пояснення загадкового явища, відомого ще з часів Аристотеля: чому гаряча вода замерзає швидше за холодну.

Явище, що отримало назву ефекту Мпемби, широко застосовується на практиці. Наприклад, фахівці радять автомобілістам заливати взимку у бачок омивача холодну, а не гарячу воду. Але що є основою цього явища, тривалий час залишалося невідомим.

Доктор Джонатан Катц (Jonathan Katz) з Вашингтонського університету дослідив це явище і дійшов висновку, що важливу роль у ньому відіграють розчинені у воді речовини, які при нагріванні осаджуються, повідомляє EurekAlert.

Під розчиненими речовинами д-р Катц має на увазі бікарбонати кальцію та магнію, які містяться у твердій воді. Коли воду нагрівають, ці речовини осідають, утворюючи накип на стінках чайника. Вода, яка ніколи не нагрівалася, містить ці домішки. У міру її замерзання та утворення кристалів льоду концентрація домішок у воді збільшується у 50 разів. Через це знижується точка замерзання води. "І тепер вода має ще остигати, щоб замерзнути", - пояснює д-р Катц.

Існує друга причина, що перешкоджає замерзанню води, що не нагрівалася. Зниження точки замерзання води зменшує різницю температур між твердою та рідкою фазами. "Оскільки швидкість, з якою вода втрачає тепло, залежить від цієї різниці температур, вода, яка не піддавалася нагріванню, гірше остигає", - коментує д-р Катц.

На думку вченого, його теорія можна перевірити експериментально, т.к. ефект Мпемби стає більш помітним для жорсткішої води.

2. Кисень плюс водень плюс холод породжують лід. На перший погляд, ця прозора речовина здається дуже простою. Насправді ж, крига таїть у собі безліч загадок. Лід, створений африканцем Ерасто Мпемба не думав про славу. Стояли спекотні дні. Йому хотілося фруктового льоду. Він брав упаковку соку і клав її у морозильник. Він проробляв це не раз і тому помітив, що особливо швидко сік замерзає, якщо перед цим потримати його на сонці - прямо-таки розжарити! Дивно це, думав танзанійський школяр, який чинив наперекір життєвій мудрості. Невже, щоб рідина швидше перетворилася на кригу, її треба заздалегідь... нагріти? Юнак був такий здивований, що поділився своїм здогадом з учителем. Той повідомив про це курйоз у пресі.

Ця історія трапилася ще у шістдесяті роки минулого століття. Тепер "ефект Мпемби" добре відомий вченим. Але довгий час цей ніби простий феномен залишався загадкою. Чому ж гаряча вода замерзає швидше за холодну?

Лише 1996 року фізик Девід Ауербах знайшов рішення. Щоб відповісти на це запитання, він цілий рік проводив експеримент: підігрівав воду у склянці та знову охолоджував її. Отже, що він з'ясував? При нагріванні бульбашки повітря, розчинені у воді, випаровуються. Вода, позбавлена газів, легше намерзає стінки судини. "Звичайно, вода з високим вмістом повітря теж замерзне, - каже Ауербах, - але не за нуля градусів Цельсія, а лише за мінус чотирьох-шости градусів". Зрозуміло, чекати доведеться довше. Отже, гаряча вода замерзає раніше за холодну, це науковий факт.

Чи знайдеться речовина, яка б виникала на наших очах з такою ж легкістю, як лід. Він складається лише з молекул води - тобто елементарних молекул, що містять два атоми водню та один - кисню. Тим не менш, лід, можливо, найзагадковіша речовина у Всесвіті. Деякі його властивості вчені так і не зуміли поки що пояснити.

2. Надохолодження та "миттєве" замерзання

Всі знають, що вода завжди перетворюється на кригу при охолодженні до 0 °C... за винятком деяких випадків! Таким випадком, наприклад, є "надохолодження", яке є властивістю дуже чистої води залишатися рідкою, навіть будучи охолодженою до температури нижче точки замерзання. Це стає можливим завдяки тому, що довкілля не містить центрів або ядер кристалізації, які могли б спровокувати утворення кристалів льоду. І тому вода залишається в рідкій формі, навіть охолодженою до температури нижче нуля градусів за Цельсієм. Процес кристалізації може бути спровокований, наприклад, бульбашками газу, домішками (забрудненнями), нерівною поверхнею ємності. Без них вода залишатиметься у рідкому стані. Коли процес кристалізації запускається, можна спостерігати, як надохолоджена вода миттєво перетворюється на лід.

Перегляньте відеоролик (2 901 Kб, 60 c) від Phil Medina (www.mrsciguy.com) і переконайтеся самі >>

Зауваження.Наднагріта вода залишається рідкою, навіть будучи нагрітою до температури вище точки закипання.

3. "Скляна" вода

Швидко і не замислюючись, назвіть, скільки різних станів має вода?

Якщо ви відповіли три (тверда, рідка, газоподібна), то ви помилилися. Вчені виділяють як мінімум 5 різних станів води в рідкому вигляді та 14 станів льоду.

Пам'ятаєте розмову про надохолоджену воду? Так ось, що б ви не робили, при температурі -38 ° C навіть найчистіша надохолоджена вода раптово перетворюється на лід. Що ж відбувається за подальшого зниження

температури? При -120 °C з водою починає відбуватися щось дивне: вона стає надв'язкою або тягучою, як патока, а при температурі нижче -135 °C - перетворюється на "скляну" або "склоподібну" воду - тверда речовина, в якій відсутня кристалічна Структура.

4. Квантові властивості води

На молекулярному рівні вода ще більше вражає. У 1995 році експеримент із розсіяння нейтронів, що проводився вченими, дав несподіваний результат: фізики виявили, що нейтрони, спрямовані на молекули води, "бачать" на 25% менше протонів водню, ніж очікувалося.

Виявилося, що на швидкості однієї аттосекунди (10 -18 секунд) має місце незвичайний квантовий ефект, і хімічна формула води замість звичної - H 2 O стає H 1,5 O!

5. Чи є у води пам'ять?

Гомеопатія, альтернативна офіційній медицині, стверджує, що розведений розчин лікарського препарату може мати лікувальний ефект на організм, навіть якщо коефіцієнт розведення настільки великий, що в розчині вже не залишилося нічого, крім молекул води. Прихильники гомеопатії пояснюють цей парадокс концепцією під назвою "пам'ять води", згідно з якою вода на молекулярному рівні має "пам'ять" про речовину, яка колись у ній розчинена і зберігає властивості розчину початкової концентрації після того, як в ньому не залишається жодної молекули інгредієнта.

Міжнародна група вчених на чолі з професором Медлін Еніс (Madeleine Ennis) з Королівського університету в Белфасті (Queen's University of Belfast), яка критикувала принципи гомеопатії, в 2002 році провела експеримент, щоб раз і назавжди спростувати цю концепцію. Вчені заявили, що їм вдалося довести реальність ефекту "пам'яті води", проте досліди, проведені під наглядом незалежних експертів, результатів не принесли.

Вода має безліч інших незвичайних властивостей, про які ми не розповіли в цій статті.

Література

1. 5 Really Weird Things About Water/http://www.neatorama.com.
2. Таємниця води: створена теорія ефекту Арістотеля-Мпемби/http://www.o8ode.ru.
3. Непомнящий Н.М. Таємниці неживої природи. Найзагадковіша речовина у всесвіті / http://www.bibliotekar.ru.