Горячее остывает быстрее холодного. Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Эффект Мпембы

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

1. Какая вода замерзает быстрее - холодная или горячая?

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

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

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

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

2. Она способна замерзать мгновенно

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

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

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

3. 19 состояний воды

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

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

4. Вода удивляет физиков

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

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

5. Память воды

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

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

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

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

Феномен застывания горячей воды с большей скоростью, чем холодной, известен в науке как эффект Мпембы . Над этим парадоксальным явлением размышляли такие великие умы как Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт , но за тысячелетия никому ещё не удавалось предложить разумное объяснение этому феномену.

Лишь в 1963 году школьник из республики Танганьика, Эрасто Мпемба, заметил этот эффект на примере мороженого, но объяснения ему не дал никто из взрослых. Тем не менее, физики и химики серьёзно задумались над столь простым, но столь непонятным явлением.

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

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

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

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

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

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

Кажется очевидным, что холодная вода замерзает быстрее горячей, поскольку в равных условиях горячей воде требуется больше времени, чтобы остыть и впоследствии - замерзнуть. Однако тысячелетние наблюдения, а также современные эксперименты показали, что верно и обратное: при определенных условиях горячая вода замерзает быстрее холодной. Научный канал Sciencium объясняет это явление:

Как объясняется на видео выше, феномен, когда горячая вода замерзает быстрее холодной, известен как эффект Мпембы, названный по имени Эрасто Мпемба - студента из Танзании, который в 1963 году делал мороженое как часть школьного проекта. Студенты должны были довести до кипения смесь сливок и сахара, дать ему остыть, а затем положить в морозилку.

Вместо этого Эрасто поставил свою смесь сразу, раскаленной, не дожидаясь, пока она остынет. В итоге, через 1,5 часа его смесь уже была заморожена, а смеси других учеников - нет. Заинтересовавшись явлением, Мпемба начал изучать вопрос вместе с профессором физики Денисом Осборном, и в 1969 году они опубликовали статью, в которой говорилось, что теплая вода замерзает быстрее, чем холодная вода. Это было первое рецензируемое подобное исследование, однако само явление упоминается еще в бумагах Аристотеля, датируемых IV веком до н. э. Френсис Бэкон и Декарт также отмечали это явление в своих исследованиях.

В видео перечислены несколько вариантов объяснений происходящего:

1. Мороз является диэлектриком, и поэтому морозная холодная вода хранит тепло лучше, чем теплый стакан, что плавит лед, соприкасаясь с ним
2. В холодной воде больше растворенных газов, чем в теплой, и исследователи предполагают, что это может играть роль в скорости охлаждения, хотя пока непонятно как
3. Горячая вода теряет больше водных молекул за счет испарения, поэтому их меньше остается для заморозки
4. Теплая вода может охлаждаться быстрее за счет увеличения конвективных течений. Эти течения возникают, поскольку в первую очередь вода в стакане охлаждается на поверхности и по бокам, заставляя холодную воду тонуть, а горячую - подниматься. В теплом стакане конвективные течения более активны, что может повлиять на скорость охлаждения.

Однако в 2016 году было проведено тщательно контролируемое исследование, которое, показала обратное: горячая вода замерзала намного медленнее холодной. При этом ученые заметили, что изменение местоположения термопары - прибора, определяющего перепады температуры, - всего на сантиметр ведет к появлению эффекта Мпемба. Изучение других подобных работ показало, что во всех случаях, когда наблюдался этот эффект, имело место смещение термопары в пределах сантиметра.

21.11.2017 11.10.2018 Александр Фирцев

«Какая вода замерзает быстрее холодная или горячая? » — попробуйте задать вопрос своим знакомым, скорее всего большинство из них ответят, что быстрее замерзает холодная вода — и допустят ошибку.

На самом деле, если одновременно поставить в морозильную камеру два одинаковых по форме и объёму сосуда, в одном из которых будет холодная вода, а в другом горячая, то быстрее замёрзнет именно горячая вода.

Подобное утверждение может показаться абсурдным и неразумным. Если следовать логике, то горячая вода должна сначала остыть до температуры холодной, а холодная в этой время должна уже уже превратится в лёд.

Так почему же горячая вода обгоняет холодную на пути к замерзанию? Попробуем разобраться.

История наблюдений и исследований

Парадоксальный эффект люди наблюдали ещё с давних времён, но никто не придавал ему особого значения. Так не состыковки по скорости замерзания холодной и горячей воды отмечал в своих записях Арестотель, а также Рене Декарт и Френсис Бэкон. Необычное явление часто проявлялось в быту.

Долгое время явление никак не изучалось и не вызывало особого интереса среди учёных.

Начало изучения необычного эффекта было положено в 1963 году когда любознательный школьник из Танзании — Эрасто Мпемба, заметил, что горячее молоко для мороженного замерзает быстрее чем холодное. В надежде получить объяснение причин возникновения необычного эффекта, молодой человек задал вопрос своему учителю физики в школе. Однако учитель лишь посмеялся над ним.

Позднее Мпемба повторил эксперимент, однако в своём опыте он использовал уже не молоко, а воду и парадоксальный эффект вновь повторился.

Спустя 6 лет — в 1969 году Мпемба задал этот вопрос профессору физики Деннису Осборну приехавшему в его школу. Профессора заинтересовало наблюдение юноши, в итоге был проведён эксперимент, который подтвердил наличие эффекта, однако причин данного феномена установлено не было.

С тех пор явление называли эффектом Мпембы .

За всю историю научных наблюдений было выдвинуто множество гипотез о причинах возникновения феномена.

Так в 2012 году британским Королевским химическим обществом бы объявлен конкурс гипотез, объясняющих эффект Мпембы. В конкурсе участвовали учёные со всего Мира, всего было зарегистрировано 22 000 научных работ. Не смотря на столь внушительное количество статей, ни одна из них не внесла ясности в парадокс Мпембы.

Наиболее распространённой была версия согласно которой, горячая вода замерзает быстрее, так как она просто быстрее испаряется, её объём становится меньше, и по мере уменьшения объёма, скорость её остывания увеличивается. Самая распространённая версия в итоге была опровергнута так как был проведён эксперимент, в котором было исключено испарение, а эффект тем не менее подтверждался.

Другие учёные считали, что причина эффекта Мпембы заключается в испарении растворённых в воде газов. По их мнению, в процессе нагревания испаряются растворённые в воде газы, за счёт чего она обретает более высокую плотность чем холодная. Как известно, повышение плотности приводит к изменению физических свойств воды (увеличению теплопроводности), а следовательно и увеличению скорости охлаждения.

Помимо этого, был выдвинут ряд гипотез, описывающих скорость циркуляции воды, в зависимости от температуры. Во многих исследованиях была предпринята попытка установить взаимосвязь между материалом контейнеров в которых располагалась жидкость. Очень многие теории казались весьма правдоподобными, однако научно подтвердить их не удавалось из-за недостатка исходных данных противоречиях в других экспериментах, или же из-за того, что выявленные факторы были просто не сопоставимы со скоростью охлаждения воды. Некоторые учёные в своих работах ставили под сомнение существование эффекта.

В 2013 году, исследователи из Технологического университета Наньян в Сингапуре заявили, что разгадали загадку эффекта Мпембы. Согласно проведённому ими исследованию, причина феномена кроется в том, что количество энергии, запасённой в водородных связях между молекулами холодной и горячей воды существенно отличается.

Методы компьютерного моделирования показали следующие результаты: чем выше температура воды, тем большим оказывается расстояние между молекулами из-за того, что отталкивающие силы увеличиваются. А следовательно водородные связи молекул растягиваются, запасая большее количество энергии. При охлаждении молекулы начинают сближаться друг с другом, высвобождая энергию из водородных связей. При этом отдача энергии сопровождается понижением температуры.

В октябре 2017 года Испанские физики в ходе очередного исследования выяснили, что большую роль в формировании эффекта играет именно выведение вещества из равновесия (сильный нагрев перед сильным охлаждением). Они определили условия при которых вероятность проявления эффекта максимальна. Помимо этого, ученые из Испании подтвердили существование обратного эффекта Мпембы. Они выявили, что при нагревании более холодный образец может достичь высокой температуры быстрее, чем теплый.

Не смотря на исчерпывающие сведения и многочисленные эксперименты, учёные намерены продолжать изучение эффекта.

Эффект Мпембы в реальной жизни

А вы года нибудь задумывались почему в зимнее время каток заливают горячей водой, а не холодной? Как вы уже поняли, делают это потому, что каток залитый горячей водой замёрзнет быстрее, чем если бы его заливали холодной. По той же причине горячей водой заливают горки в зимних ледовых городках.

Таким образом, знание о существовании феномена позволяет людям сэкономить время при подготовке площадок для зимних видов спорта.

Помимо этого, эффект Мпембы иногда используется и в промышленности — для сокращения времени заморозки продуктов, веществ и материалов, содержащих воду.

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.