Горячая вода замерзает быстрее: Еще одно объяснение эффекта Мпембы (это про почему кипяток замерзает быстрее холодной воды) / Хабр

Какая вода замерзает быстрее: горячая или холодная?

Поворотным моментом в истории изучения замерзания воды стал эксперимент с мороженым.

© Pixabay

С чего все началось?

В 1963 году старшеклассник Эрасто Мпемба из Танзании случайно обнаружил эффект, позднее названный в его честь. Рассказываем, как он к этому пришел. Школьники учились готовить мороженое (нам бы такие уроки!). Эрасто переживал, что ему не хватит места в морозильнике, поэтому поставил свою заготовку еще горячей. Одноклассники же наоборот дали смесям остыть и только после этого отправили их в морозилку. В итоге мороженое из теплого молока получилось быстрее, чем из охлажденного. Эрасто поспешил за объяснением к учителю физики, но тот только посмеялся над ним, сказав: “Это не всемирная физика, а физика Мпембы”.

© Saskatchewan Science Centre/youtube.com

Кто провел первые лабораторные эксперименты?

Мпемба не бросил попыток выяснить, в чем дело, и позднее обратился за помощью к физику Денису Осборну. Вместе они провели первые систематические научные исследования феномена – эффекта Мпембы. Им удалось воспроизвести результат, хотя опытный Осборн отметил, что для полного понимания происходящего нужно провести более сложные эксперименты. За прошедшие десятилетия многие ученые и лаборатории пытались раскрыть загадку эффекта Мпембы, но получали неоднозначные результаты.

Казалось бы, эффект легко проверить. Берем чашки с горячей и холодной водой, ставим их в морозилку и засекаем время. Аристотель, Рене Декарт и Фрэнсис Бэйкон замечали, что горячая вода замерзает быстрее. Даже современные водопроводчики утверждают, что зимой трубы с горячей водой лопаются чаще, чем трубы с холодной.

Результаты эксперимента с замораживанием двух образцов в разное время. Обнаружена разница в скорости замерзания.

© Spark Tech

Удалось ли другим ученым повторить эксперименты и получить “эффект Мпембы”?

Шло время, появлялись новые гипотезы, и ученые проверяли их в максимально контролируемых условиях. Некоторые из них обнаружили эффект, другие – нет. Почему? Дело в том, что замерзание воды – достаточно непредсказуемый процесс. Особенно когда речь идет о долях секунд и температур.

Начнем с базовой физики. Неважно, какая у воды стартовая температура. Чтобы превратиться в лед, вода сперва должна охладиться до нуля градусов. В процессе замерзания температура воды будет оставаться неизменной. Почему же тогда горячая вода в некоторых экспериментах замерзала быстрее холодной?

Эффект Мпебы зимой (эксперимент с замерзанием горячей воды на морозе)

© Alfredo Ristol

Как пробовали объяснить “эффект Мпембы”?

Существует несколько гипотез.

Горячая вода быстрее испаряется, а значит в процессе охлаждения ее объем может сократиться – поэтому она быстрее замерзнет.

С другой стороны лед в морозильнике может играть роль изолятора. Холодной чашке он будет мешать быстро охладиться, а вокруг горячей растает: чашка коснется охлаждающих элементов морозильника и быстрее остынет.

Также роль могут сыграть газы. В холодной воде больше растворенных газов, чем в горячей, и это может сыграть роль при охлаждении.

А вот твердые примеси могут повлиять на само замерзание. Помните популярные видео с бутылкой жидкой воды, которая при ударе начинает затвердевать на глазах? Эту воду аккуратно охладили ниже температуры замерзания, и в ней не образовались центры кристаллизации. Возможно, в спокойных условиях холодной воде требуется сильнее сверхохладиться, чтобы запустилась кристаллизация?

Наконец, существует гипотеза о влиянии конвекции. Теоретически, горячая вода может быстрее охлаждаться, потому что в ней сильнее потоки теплообмена.

Это разумные предположения, но их можно исключить: использовать герметичные контейнеры, очистить морозильник ото льда, проверить содержание примесей и так далее. И даже с учетом этих факторов эффект Мпемба то подтверждается, то нет. Как же так? Дело в том, что слишком много факторов играют роль.

При исследовании эффекта Мпембы важно учитывать способ хранения воды, наличие примесей, положение термометра при замере.

© Unsplash

Что произойдет, если провести максимально контролируемый эксперимент?

В 2016 году специалисты по динамике жидкостей инженер Генри Барридж, профессор Имперского колледжа Лондона, и математик Пол Линден из Кембриджского университета провели максимально контролируемое исследование эффекта Мпембы.

Они не нашли никаких свидетельств его существования, но не это главное. Самое существенное их открытие заключалось в том, что если буквально на сантиметр сместить положение термометра в емкости, не меняя никаких других условий, то небольшой эффект Мпембы появляется. Последующая проверка предыдущих исследований показала, что и там наблюдаемый эффект был в пределах погрешности.

© Pixabay

Ученые продолжают экспериментировать?

Да, исследования продолжаются. Ученые ищут и изучают эффект Мпембы в различных веществах и условиях.

Подведем итог. Чисто физически у воды нет эффекта Мпембы, но в реальной жизни из-за твердых и газообразных примесей, материала, из которого сделаны емкости, особенностей морозильной камеры и многих других факторов горячая вода действительно может замерзать быстрее холодной.

Может быть интересно:

1. Какой двигатель доставит нас на другие планеты
2. Российская лунная программа
3. Использование радиации в медицине
4. Наблюдение за животными в дикой природе
5. Чем опасно таяние ледников в Арктике

Чому гаряча вода замерзає швидше

Короткий зміст

Експеримент у домашніх умовах

Парадокс Мпемби

Основні теорії

Якщо помістити гарячу воду в морозильну камеру, можна спостерігати ефект її прискореного замерзання. Це явище раніше згадувалося Арістотелем, Френсісом Беконом і Рене Декартом.

Помістивши дві ємності з гарячою і холодною водою в морозильну камеру, можна побачити, що гаряча вода замерзне швидше. Підтвердженнями цього факту є, наприклад, те, що на сильному морозі відкриті труби з гарячою водою замерзають швидше, ніж холодні.

Експеримент в домашніх умовах

Для того, щоб перевірити істинність такого явища, ви можете провести вдома елементарний експеримент.

1. Візьміть літр води та дві окремі формочки для льоду.
2. Приблизно половину води вилийте в чайник і закип’ятіть.
3. Заповніть холодну та нагріту воду в формочки та поставте їх в морозильну камеру.
4. Зачекайте годину та ви побачите, яка вода швидше перетворюється в лід.

Парадокс Мпемби

У 1963 році африканський школяр помітив, що гаряча суміш морозива в морозильній камері застигає швидше, ніж холодна. Він не отримав відповіді на це питання від шкільного вчителя фізики, але зміг поставити його професору фізики Деннісу Осборну. Експеримент проведений з водою підтвердив наявність ефекту. В даному випадку дві проби води об’ємом 70 мл з температурою 25 й 90^оС поміщалися в однакових стаканчиках в морозильну камеру побутового холодильника на шматках пінопласту.

Далі Осборн і Мпемба провели ряд експериментів, результати яких були опубліковані в 1969 році журналом Physics Education.

Головні тези статті наведемо нижче.

Оскільки охолодження починається переважно з верхньої поверхні рідини, то швидкість охолодження залежить від температури саме цієї поверхні, а не від середньої температури рідини, а процеси конвекції підтримують цю температуру. Внаслідок цього швидкість втрати тепла для системи з вищою початковою температурою теж буде вищою, ніж для більш охолодженої системи. Твердження є суперечливим, оскільки перед замерзанням вода повинна пройти проміжні температури, але з урахуванням впливу температурного градієнта, автори допускали, що можна упустити це твердження. Після цього явище стало активно обговорюватися дослідниками та отримало назву «ефект Мпемби».

На малюнку зображена залежність швидкості замерзання від вихідної температури води.

Пояснення ефекту Мпемби

Відповідь на питання про те, чому гаряча вода швидше замерзає, люди шукали півсторіччя.

Було опубліковано сотні наукових робіт з цього приводу, але тільки через 54 роки було отримано остаточну відповідь.

У 2013 році Королівське хімічне товариство Великобританії пообіцяло видати премію в 1000 фунтів тому, хто пояснить ефект Мпемби. Кращою відповіддю було есе Нікола Бреговича з Університету Загреба в Хорватії. Він підсумував основні досліджувані раніше теорії та описав їх.

У 2016 році група вчених опублікувала матеріали досліджень, які заперечували наявність даного феномена. Пояснення самого ефекту грунтувалося на похибці досліджень.

Здавалося б науковий світ повинен заспокоїтися, але не тут то було, і в 2017 році спільне дослідження групи вчених з Китаю та США пояснює явище водневими зв’язками в кластерній структурі води.

Основні теорії

Випаровування води

Частина вчених пояснювали, що нагріта вода швидше випаровується та, відповідно, або замерзає в повітрі та утворює крижану кірку, або просто видаляється з системи.

Варто відзначити, що у всіх експериментах, де зважувалася маса води до та після заморозки, максимальна втрата маси сягала не більше 3%. Така несуттєва зміна маси, очевидно, не може викликати значне прискорення заморожування. Ще одна складність даного експерименту лежала в тому, що довести даний момент практично неможливо, оскільки при герметизації ємності з заморожуваною водою зміниться не лише випаровування, а і рух теплових потоків.

Розчинені гази

Розчинність газів у воді падає з підвищенням її температури. Виходячи з цього, частина дослідників допускали, що швидке замерзання води пов’язане з цим фактом. Проведені Томасом дослідження показали, що різниця в температурах замерзання слабо відхиляється від нуля, а Ауербах довів, що концентрація газів у воді не впливає на переохолодження води.

Конверсія посилена градієнтом тепла

Розберемося з тим, що таке конвекція та градієнт тепла. Коли ємність з водою поміщається в морозильну камеру, то рідина на поверхні та біля стінок ємності швидше контактує з холодним навколишнім середовищем і охолоджується. Водночас всередині зразка температура зберігається, внаслідок чого в ємності з’являється різниця температур або температурний градієнт. Він викликає перенесення тепла, причому чим сильніший градієнт, тим краща конвекція. Відповідно, чим вища ця різниця температур, тим активніше буде відбуватися теплообмін, а власне й охолодження.

Водневі зв’язки

У 2017 році було отримано остаточну відповідь на питання про те, чому гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна. Причиною є властивості водневих зв’язків. Ключовий аргумент дослідників полягає в тому, що кількість сильних водневих зв’язків збільшується з підвищенням температури, а існування невеликих міцно пов’язаних кластерів, в свою чергу, сприяє утворенню правильного гексагонального льоду при швидкому охолодженні теплої води. Крім цього, доведений зворотний ефект швидкого нагрівання переохолодженої води.

Про формування льоду та розташування молекули води в його структурі, ми вже писали раніше.

До речі, дослідження тривають :)

Источники

1. Mpemba, E. B., & Osborne, D. G. (1969). Cool? Physics Education, 4(3), 172–175.
2. Nikola Bregović (2012) Mpemba effect from a viewpoint of an experimental physical chemist.
3. Tao, Y., Zou, W., Jia, J., Li, W., & Cremer, D. (2016). Different Ways of Hydrogen Bonding in Water — Why Does Warm Water Freeze Faster than Cold Water? Journal of Chemical Theory and Computation, 13(1), 55–76.

Правда ли, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, или что холодная вода закипает быстрее, чем горячая?

• Поделиться на Facebook

• Поделиться на Twitter

• Поделиться на Reddit

• Поделиться на LinkedIn

  900 06

• Отправить по электронной почте

• Распечатать

Женщина заливает горячую воду морозный воздух. Предоставлено: Исмаил Каплан Getty Images

Этот, казалось бы, простой вопрос продолжает вызывать серьезные споры. Такамаса Такахаши, физик из колледжа Св. Норберта в Де Пере, штат Висконсин, пытается дать окончательный ответ:

«Холодная вода не закипает быстрее, чем горячая. Скорость нагрева жидкости зависит от величины разности температур между жидкостью и окружающей ее средой (например, пламенем на плите). В результате холодная вода будет поглощать тепло быстрее, пока она еще холодная; как только она достигает температуры горячей воды, скорость нагревания замедляется, и отсюда доведение ее до кипения занимает столько же времени, сколько и горячей воды до кипения. Начнем с того, что холодной воде требуется некоторое время, чтобы достичь температуры горячей воды, поэтому очевидно, что холодная вода кипит дольше, чем горячая вода. Здесь может иметь место некоторый психологический эффект: холодная вода начинает кипеть раньше, чем можно было бы ожидать, из-за вышеупомянутая большая скорость поглощения тепла, когда вода холоднее.0005

«На первую часть вопроса — «Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная?» — ответ: «Обычно нет, но возможно при определенных условиях». Для испарения одного грамма воды требуется 540 калорий, тогда как для нагрева одного грамма жидкой воды от 0 градусов Цельсия до 100 градусов С требуется 100 калорий. Когда вода горячее 80 градусов С, скорость охлаждения за счет быстрого испарения очень высокая, потому что каждый испаряющийся грамм забирает из оставшейся воды не менее 540 калорий.Это очень большое количество тепла по сравнению с одной калорией на градус Цельсия, получаемой из каждого грамма воды, которая охлаждается за счет обычной теплопроводности.

«Все зависит от того, насколько быстро происходит охлаждение, и получается, что горячая вода не замерзнет раньше холодной, а замерзнет раньше теплой. Вода при 100 градусах, например, замерзнет раньше, чем вода теплее 60 градусов C, но не раньше, чем температура воды ниже 60° C. Это явление особенно очевидно, когда площадь поверхности, которая охлаждается за счет быстрого испарения, велика по сравнению с количеством задействованной воды, например, когда вы моете машину горячей водой в холодный зимний день. [Для справки см. Концептуальную физику Пола Г. Хьюитта (HarperCollins, 19).93).]

«Еще одна ситуация, при которой горячая вода может замерзнуть быстрее, это когда в морозильную камеру помещают кастрюлю с холодной водой и кастрюлю с горячей водой одинаковой массы. Возникает упомянутый выше эффект испарения, а также тепловой контакт с морозильной полкой будет охлаждать нижнюю часть водоема.Если вода достаточно холодная, около четырех градусов С (температура, при которой вода имеет наибольшую плотность), то почти замерзшая вода на дне поднимется до конвекционные потоки будут продолжаться до тех пор, пока температура всей массы воды не достигнет 0 градусов по Цельсию, после чего вся вода окончательно замерзнет. Если вода изначально горячая, охлажденная вода внизу имеет большую плотность, чем горячая вода вверху, поэтому конвекции не будет и нижняя часть начнет замерзать, а верхняя еще теплая.Этот эффект, в сочетании с эффектом испарения, в некоторых случаях может привести к тому, что горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. В этом случае, конечно, морозильная камера работали усерднее в течение заданного периода времени, извлекая больше тепла из горячей воды».

Роберт Эрлих из Университета Джорджа Мейсона в Фэрфаксе, штат Вирджиния, добавляет к некоторым выводам, сделанным Такахаши:

«Есть два способа, которыми горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная. Книга Джерла Уокера «Летающий цирк физики» (Wiley, 1975)] основывается на том факте, что горячая вода испаряется быстрее, поэтому, если вы начнете с равных масс горячей и холодной воды, скоро будет меньше горячей воды для замерзания, и, следовательно, она догонит холодную воду и замерзнет первой, потому что чем меньше масса, тем короче время замерзания. горячая вода растапливает лед под дном посуды, что приводит к лучшему тепловому контакту при повторном замерзании». �

Все еще сомневаетесь? Фред В. Декер, метеоролог из Орегонского государственного университета в Корваллисе, предлагает читателям самим решить этот вопрос:

«Вы можете легко поставить эксперимент, чтобы узнать, что замерзает раньше: вода, изначально горячая, или вода, изначально холодной. Используйте данную настройку на электрической плите и замерьте время между запуском и кипячением для данной кастрюли, содержащей, скажем, один литр воды; сначала начните с воды настолько холодной, насколько позволяет кран, а затем повторите это с самая горячая вода из этого крана. Готов поспорить, что кварта воды, изначально горячей, закипит за гораздо меньшее время, чем кварта воды, изначально холодной.0005

«Эксперимент по замораживанию выполнить сложнее, потому что в идеале для него требуется проходная холодильная камера с температурой ниже точки замерзания. Возьмите в камеру две бутылки молока объемом в кварту, наполненные водой, одну из горячего крана. а другой — из холодного крана снаружи камеры. Рассчитывайте их до замерзания, и я снова готов поспорить, что изначально более холодная вода замерзнет раньше, чем изначально горячая вода».

[Мы хотели бы добавить, что если вы не хотите страдать в морозильной камере, вы можете провести достаточно хорошую версию вышеупомянутого эксперимента в морозильной камере вашего холодильника; только не проверяйте воду слишком часто — в этом случае она никогда не замерзнет — или слишком редко, и в этом случае вы можете пропустить момент, когда одна емкость замерзнет, ​​а другая — нет. ]

Декер приходит к выводу, что «большая часть фольклора является результатом попыток ответить на этот вопрос в условиях, которые не делают «все остальные вещи равными», как это делают предыдущие эксперименты.

MIT School of Engineering | » Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная

Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная? о контринтуитивной теории о том, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная У этой идеи даже есть название: эффект Мпембы, названный в честь танзанийского школьника, который в 1963 заметил, что мороженое, приготовленное им и его одноклассниками из теплого молока, замерзало быстрее, чем из холодного молока.

«Независимо от того, какова начальная температура воды, ее необходимо довести до точки замерзания, прежде чем она изменит свое состояние и превратится в лед», — говорит Пракаш Говиндан, научный сотрудник отдела машиностроения Массачусетского технологического института. На самом деле потребуется больше времени и/или энергии, чтобы заморозить горячую воду, потому что ее температура должна снижаться до тех пор, пока она не достигнет точки замерзания, около 0,

° C.

Говиндан предлагает провести простой эксперимент, чтобы продемонстрировать, что горячая и холодная вода будут вести себя так, как предсказывает логика. «Наполните две одинаковые емкости горячей и холодной водопроводной водой из кухонной раковины и посмотрите, какая из них замерзнет первой», — говорит он. Интересно, отмечает он, скорость изменений в этом эксперименте не будет одинаковой. «Когда вы помещаете их в морозильную камеру, морозильная камера будет работать усерднее, чтобы снизить температуру горячей воды, поэтому изначально скорость теплопередачи в горячей воде будет выше». Однако другой контейнер будет охлаждаться одновременно (хотя и не с такой же скоростью).

Когда температура воды в каждом контейнере достигнет примерно 0 ° C, она претерпит те же изменения, что и переходя из жидкого состояния в твердое, и потребуется такое же количество времени, чтобы начать формироваться крошечные кристаллы льда. . В этот момент каждая смесь жидкости и льда будет иметь одинаковую температуру, и по мере того, как от этих смесей будет отбираться больше тепла, вступает в силу термодинамический принцип скрытой теплоты: вода продолжает переходить в твердое состояние, но больше не изменяется.