Эта история началась более полувека назад, но не получила развязки и по сей день. А всё потому, что, как бы ни старались тысячи пытливых умов со всей планеты, им никак не удаётся найти единственно верное решение Мпембы.
В 1963 году неприметный африканский ученик по имени Эрасто Мпемба (Erasto Mpemba) подметил одну странность: тёплая смесь для мороженого застывает быстрее, чем охлаждённая.
Наблюдение казалось настолько неправдоподобным, что учителю физики оставалось лишь посмеяться над открытием незадачливого экспериментатора. Однако Эрасто был уверен в своей правоте и не побоялся снова стать посмешищем: чуть позже он поднял скользкий вопрос перед Денисом Осборном (Denis Osborne), профессором Университета Дар-эс-Салам, Танзания. Учёный не стал бросаться поспешными выводами и решил изучить проблему. После чего в 1969 году журнал Physics Education опубликовал материал, описывающий парадокс Мпембы.
В научных кругах тут же припомнили, что нечто похожее уже говорили величайшие умы былых времён. Например, ещё упоминал о жителях древнегреческого Понта, которые во время зимней рыбалки нагревали воду и мочили в ней тростник, чтобы тот быстрее затвердевал. Многие столетия спустя Фрэнсис Бэкон писал: «Слегка прохладная вода замерзает гораздо легче, чем совершенно холодная».
В общем, вопрос стар как мир, но это лишь подогревает интерес к разгадке. На протяжении нескольких последних десятилетий выдвигалось немало теорий, объясняющих эффект Мпембы. Наиболее вероятные из них были озвучены в 2013 году на торжественном мероприятии, проведённом Королевским химическим обществом Великобритании. Профессиональная ассоциация изучила 22 000 (!) мнений и выделила среди них лишь одно, принадлежащее Николе Бреговичу (Nikola Bregović).
Хорватский химик указал на важность процессов конвекции и переохлаждения жидкости при её замерзании.
Вот как эти явления описаны в «Википедии»:
- Холодная вода начинает замерзать сверху, замедляя тем самым процессы теплового излучения и конвекции, а значит, и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.
- Переохлаждённая жидкость - жидкость, имеющая температуру ниже температуры кристаллизации при данном давлении. Переохлаждённая жидкость получается из обычной путём охлаждения при отсутствии центров кристаллизации.
Всемирное и чек на 1 000 фунтов стали хорошим вознаграждением. К слову, победителя приветствовали Эрасто Мпемба и Денис Осборн.
scienceblogs.comКакой должна быть температура воды перед заморозкой
На этот вопрос однозначного ответа всё же нет. Королевское химическое общество хоть и определилось, но не прекратило споры окончательно. До сих пор выдвигаются новые гипотезы и звучат опровержения.
Хотя есть небольшая зацепка: научно-популярный журнал New Scientist провёл исследования и пришёл к выводу, что наилучшие условия для повторения эффекта Мпембы - две ёмкости воды с температурой 35 и 5 °C.
Таким образом, если до вечеринки осталось совсем немного времени, залейте в воду, температура которой сравнима с комнатной температурой жарким летом. Колодезную или прохладную водопроводную воду лучше не использовать.
В старой доброй формуле H 2 O, казалось бы, не заключено никаких тайн. Но на самом деле вода - источник жизни и самая известная жидкость в мире - таит в себе множество загадок, которые порой не под силу разгадать даже ученым.
Перед вами 5 наиболее интересных фактов о воде :
1. Горячая вода замерзает быстрее холодной
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, Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba), ученик старших классов средней школы в Танзании, 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.
Примечание от Х.RU к теме "Горячая вода замерзает быстрее холодной".
Так как вопросы охлаждения, нам, холодильщикам, более близки, то позволим себе несколько углубиться в суть данной проблемы и приведем два мнения о природе столь загадочного явления.
1. Ученый из Вашингтонского университета предложил объяснение загадочного явления, известного еще со времен Аристотеля: почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.
Явление, получившее название эффекта Мпембы широко применяется на практике. Например, специалисты советуют автомобилистам заливать зимой в бачок омывателя холодную, а не горячую воду. Но что лежит в основе этого явления, долгое время оставалось неизвестным.
Д-р Джонатан Катц (Jonathan Katz) из Вашингтонского университета исследовал это явление и пришел к выводу, что важную роль в нем играют растворенные в воде вещества, которые при нагревании осаждаются, сообщает EurekAlert.
Под растворенными веществами д-р Катц подразумевает бикарбонаты кальция и магния, которые содержатся в жесткой воде. Когда воду нагревают, эти вещества осаждаются, образуя накипь на стенках чайника. Вода, которая никогда не нагревалась, содержит эти примеси. По мере ее замерзания и образования кристаллов льда концентрация примесей в воде увеличивается в 50 раз. Из-за этого понижается точка замерзания воды. "И теперь вода должна еще остывать, чтобы замерзнуть", - поясняет д-р Катц.
Существует вторая причина, препятствующая замерзанию не нагревавшейся воды. Понижение точки замерзания воды уменьшает разницу температур между твердой и жидкой фазами. "Поскольку скорость, с которой вода теряет тепло, зависит от этой разницы температур, вода, которая не подвергалась нагреванию, хуже остывает", - комментирует д-р Катц.
По мнению ученого, его теория может быть проверена экспериментально, т.к. эффект Мпембы становится более заметным для более жесткой воды .
2. Кислород плюс водород плюс холод порождают лед. На первый взгляд, это прозрачное вещество кажется очень простым. В действительности же, лед таит в себе множество загадок. Лед, сотворенный африканцем Эрасто Мпемба не помышлял о славе. Стояли жаркие дни. Ему хотелось фруктового льда. Он брал упаковку сока и клал ее в морозильник. Он проделывал это не раз и потому заметил, что особенно быстро сок замерзает, если перед этим подержать его на солнцепеке - прямо-таки накалить! Странно это, думал танзанийский школьник, поступавший наперекор житейской мудрости. Неужели, чтобы жидкость быстрее превратилась в лед, ее надо предварительно... нагреть? Юноша был так удивлен, что поделился своей догадкой с учителем. Тот сообщил об этом курьезе в печати.
Эта история случилась еще в шестидесятые годы прошлого века. Теперь "эффект Мпембы" хорошо известен ученым. Но долгое время этот как будто простой феномен оставался загадкой. Почему же горячая вода замерзает быстрее холодной?
Лишь в 1996 году физик Дэвид Ауэрбах нашел решение. Чтобы ответить на этот вопрос, он целый год проводил эксперимент: подогревал воду в стакане и вновь охлаждал ее. Итак, что же он выяснил? При нагревании пузырьки воздуха, растворенные в воде, улетучиваются. Вода, лишенная газов, легче намерзает на стенки сосуда. "Конечно, вода с высоким содержанием воздуха тоже замерзнет, - говорит Ауэрбах, - но не при нуле градусов Цельсия, а лишь при минус четырех-шести градусах". Понятное дело, ждать придется дольше. Итак, горячая вода замерзает раньше холодной, это научный факт.
Едва ли найдется вещество, которое возникало бы на наших глазах с такой же легкостью, как лед. Он состоит лишь из молекул воды - то есть элементарных молекул, содержащих два атома водорода и один - кислорода. Тем не менее, лед, возможно, самое загадочное вещество во Вселенной. Некоторые его свойства ученые так и не сумели пока объяснить .
2. Сверхохлаждение и "мгновенное" замерзание
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.
Посмотрите видеоролик (2 901 Kб, 60 c) от Phil Medina (www.mrsciguy.com) и убедитесь сами >>
Замечание. Сверхнагретая вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.
3. "Стеклянная" вода
Быстро и 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 льда.
Помните разговор про сверхохлажденную воду? Так вот, что бы вы ни делали, при температуре -38 °C даже самая чистая сверхохлажденная вода внезапно превращается в лед. Что же происходит 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 - превращается в "стеклянную" или "стекловидную" воду - твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.
4. Квантовые свойства воды
На молекулярном уровне вода ещё больше удивляет. 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 привычной - H 2 O, становится H 1,5 O!
5. Есть ли у воды память?
Гомеопатия, альтернативная официальной медицине, 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 данной статье.
Литература.
1. 5 Really Weird Things About Water / http://www.neatorama.com.
2. Тайна воды: создана теория эффекта Аристотеля-Мпембы / http://www.o8ode.ru.
3. Непомнящий Н.Н. Тайны неживой природы. Самое загадочное вещество во вселенной / http://www.bibliotekar.ru.
Здравствуйте, дорогие любители интересных фактов. Сегодня мы с вами поговорим про . Но я думаю, что вынесенный в заголовок вопрос может показаться попросту абсурдным — но всегда ли следует безраздельно доверяться пресловутому «здравому смыслу», а не строго поставленному проверочному опыту. Давайте попытаемся разобраться, почему горячая вода быстрее замерзает чем холодная?
Историческая справка
Что в вопросе с замораживанием холодной и горячей воды «не всё чисто» упоминалось ещё в трудах Аристотеля, затем подобного же рода заметки делали Ф.Бэкон, Р.Декарт и Дж.Блэк. В новейшей истории за данным эффектом закрепилось название «парадокс Мпембы» — по имени школьника из Танганьики Эрасто Мпембы, задавшего этот же вопрос заезжему профессору физики.
Вопрос мальчика возник не на пустом месте, а из сугубо личных наблюдений за процессом охлаждения смесей для мороженого на кухне. Разумеется, присутствовавшие там же одноклассники вместе со школьным учителем подняли Мпембу на смех — однако после экспериментальной проверки лично профессором Д.Осборном желание потешаться над Эрасто у них «испарилось». Более того, Мпембой совместно с профессором в 1969-ом году в Physics Education было опубликовано детальное описание этого эффекта — и с тех пор вышеупомянутое название закрепилось в научной литературе.
В чём суть явления?
Постановка опыта достаточно проста: при прочих равных условиях испытываются одинаковые тонкостенные сосуды, в них — строго равные количества воды, отличающиеся лишь температурой. Сосуды загружаются в холодильник, после чего засекается время до образования льда в каждом из них. Парадокс состоит в том, что в сосуде с изначально более горячей жидкостью это происходит быстрее.
Как это объясняет современная физика?
Универсального объяснения парадокс не имеет, поскольку совместно протекает несколько параллельных процессов, вклад которых может разниться от конкретных начальных условий — но с единообразным результатом:
- способность жидкости к переохлаждению — изначально холодная вода более склонна к переохлаждению, т.е. остаётся жидкой тогда, когда её температура находится уже ниже точки замерзания
- ускоренное охлаждение — пар от горячей воды трансформируется в микрокристаллики льда, которые при падении обратно ускоряют процесс, работая как дополнительный «внешний теплообменник»
- эффект изоляции — в отличие от горячей, холодная вода замерзает сверху, что приводит к уменьшению теплоотдачи конвекцией и излучением
Имеется и ряд других объяснений (последний раз конкурс на лучшую гипотезу британское Королевское Химическое Общество проводило недавно, в 2012-ом) — но однозначной теории для всех случаев комбинаций входных условий не существует до сих пор...
В 1963 году один из учеников школы в Танзании по имени Эрасто Мпемба заметил, что если взять две емкости с одинаковым количеством молока, в одной из которых молоко будет комнатной температуры, а в другой – горячим, то горячее молоко застынет в морозилке гораздо быстрее, чем холодное. Тогда он провел тот же эксперимент с водой, и получил точно такой же результат. Учитель физики, к которому Мпемба обратился за разъяснениями, лишь посмеялся в ответ.
Но пытливый ум не давал Мпембе покоя, и этот вопрос он задал профессору Деннису Осборну, приглашенному из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе для чтения лекции по физике. Осборну вопрос показался интересным, и в 1969 году он совместно со своим учеником опубликовали статью о результатах своих экспериментов в журнале «Physics Education». С момента публикации этот эффект стали называть эффектом Мпембы.
На самом деле, этот эффект известен с давних времен: Аристотель, Ф.Бэкон, Р.Декарт интересовались им.
Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон сформулировал И.Ньютон, и с того времени он много раз подтверждался на практике. А в данном случае кипящая вода, нагретая до 100 град. С охлаждается до 0 град С быстрее, чем такое же количество воды с температурой, например, 35 град. С, хотя во время охлаждения, кипящая вода должна пройти “порог” в 35 град С.
Вот некоторые из предположений, которые выдвигают ученые:
- Горячая вода во время охлаждения активно испаряется, при этом ее объем уменьшается, соответственно, меньший объем воды охлаждается быстрее. К тому же, из-за испарения, температура воды снижается быстрее.
- Разница температур между горячей водой и воздухом больше, а значит, теплообмен происходит с большей интенсивностью, это приводит к тому, что горячая вода застывает быстрее.
- На поверхности холодной воды образуется слой льда, который не только препятствует испарению воды, но и выступает своеобразной “подушкой”, защищающей основную массу воды от охлаждения. А горячая вода не имеет льда на поверхности, поэтому процесс испарения и охлаждения продолжается дольше, потери тепла происходят быстрее, и в результате горячая вода превращается в лед раньше.
- В горячей воде водородные связи натягиваются сильнее, чем в холодной. Поскольку в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, значит, её высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. Это и объясняет, почему горячая вода застывает быстрее.
Водородные связи O:H-O в кристалле льда
На то, какая вода быстрее замерзает, горячая или холодная, влияет множество факторов, но сам по себе вопрос кажется немного странным. Подразумевается, и это известно из физики, что горячей воде еще нужно время для того, чтобы остыть до температуры сравниваемой холодной воды, чтобы превратиться в лед. Холодной воде этот этап можно пропустить, а, соответственно, по времени она выигрывает.
Но ответ на вопрос о том, какая вода замерзает быстрее - холодная или горячая - на улице в мороз, знает любой житель северных широт. По сути, по-научному, выходит, что в любом случае холодная вода просто обязана замерзнуть быстрее.
Так же подумал и учитель физики, к которому обратился школьник Эрасто Мпемба в 1963 году с просьбой объяснить, почему холодная смесь будущего мороженого замерзает дольше, чем аналогичная, но горячая.
"Это не всемирная физика, а какая-то физика Мпембы"
В тот раз учитель только посмеялся над этим, но Денисс Осборн, профессор физики, который в свое время заехал в ту же школу, где учился Эрасто, экспериментально подтвердил наличие такого эффекта, хотя и объяснения тогда этому не нашлось. В 1969 году в популярном научном журнале вышла совместная статья этих двух людей, которые описали этот своеобразный эффект.
С тех пор, кстати, вопрос о том, какая вода быстрее замерзает - горячая или холодная, имеет собственное название - эффект, или же парадокс, Мпембы.
Вопрос возникал давно
Естественно, что и раньше такой феномен имел место быть, и он был упомянут в работах других ученых. Не только школьник интересовался этим вопросом, но и свое время об этом думал Рене Декарт и даже Аристотель.
Вот только подходы к решению данного парадокса приступили искать только в конце двадцатого века.
Условия для того, чтобы произошел парадокс
Как и в случае с мороженым, не просто обычная вода замерзает в процессе эксперимента. Должны присутствовать определённые условия для того, чтобы начать спорить, какая вода замерзает быстрее - холодная или горячая. Что влияет на протекание данного процесса?
Сейчас, в 21 веке, выдвинуто несколько вариантов, которые могут объяснить даный парадокс. То, какая вода замерзает быстрее, горячая или холодная, может зависеть от того, что у имеется большая, чем у холодой, скорость испарения. Таким образом, уменьшается ее объем, а при уменьшении объема и время замерзания становится меньше, нежели если взять аналогичный изначальный объем холодной воды.
Давно размораживали морозилку
На то, какая вода замерзает быстрее, и почему это происходит, может повлиять снеговая подкладка, которая может иметь место в морозилке холодильника, используемого для эксперимента. Если взять два контейнера, идентичных по объему, но в одном из них будет горячая вода, а в другом - холодная, контейнер с горячей водой расплавит под собой снег, тем самым улучшая контакт теплового уровня со стенкой холодильника. Контейнер с холодной водой такого сделать не может. Если же таковой подкладки со снегом в холодильной камере нет, холодная вода должна замерзнуть быстрее.
Верх - внизу
Также явление того, какая вода быстрее замерзает - горячая или холодная, объясняется следующим образом. Следуя определенным законам, холодная вода замерзать начинает с верхних слоев, когда горячая делает это наоборот - начинает замерзать снизу вверх. При этом выходит, что холодная вода, имея сверху холодную прослойку с уже местами образовавшимся льдом, ухудшает себе таким образом процессы конвекции и теплового излучения, тем самым объясняется, какая вода замерзает быстрее - холодная или горячая. Фото с любительских экспериментов прилагается, и здесь это четко видно.
Тепло выходит наружу, стремясь вверх, а там встречается с очень охлажденным слоем. Свободного пути для теплоизлучения не имеется, потому процесс охлаждения становится затруднительным. Таких преград на своем пути абсолютно не имеет горячая вода. Какая замерзает быстрее - холодная или горячая, от чего зависит вероятный исход, можно расширить ответ тем, что любая вода имеет определенные вещества, растворенные в ней.
Примеси в составе воды как фактор, влияющий на исход
Если не жульничать и использовать воду с одинаковым составом, где концентрации определенных веществ являются идентичными, то холодная вода должна замерзнуть быстрее. Но если же происходит ситуация, когда растворённые химические элементы в наличии только в горячей воде, а холодная вода при этом ими не обладает, тогда есть возможность у горячей воды замерзнуть раньше. Объясняется это тем, что растворенные вещества в воде создают центры кристаллизации, и при малом количестве этих центров превращение воды в твердое состоянии затруднено. Возможно даже переохлаждение воды, в том плане, что при минусовой температуре она будет находиться в жидком состоянии.
Но все эти версии, видно, не до конца устраивали ученых и они продолжали работать над этим вопросом. В 2013 году команда исследователей в Сингапуре заявила, что им удалось разгадать вековую загадку.
Группа из китайских ученых утверждает, что секрет данного эффекта состоит в количестве энергии, которая запасена между молекулами воды в ее связях, именуемых водородными.
Разгадка от китайских ученых
Далее последует информация, для понимания которой необходимо иметь некоторые знания в химии, чтобы разобраться в том, какая вода замерзает быстрее - горячая или холодная. Как известно, состоит из двух атомов Н (водорода) и одного атома О (кислорода), удерживаемых между собой ковалентными связями.
Но также атомы водорода одной молекулы притягиваются и к соседним молекулам, к их кислородной составляющей. Именно такие связи называются водородными.
При этом стоит помнить, что в то же время молекулы воды действуют друг на друга отталкивающее. Ученые отметили, что при нагревании воды между ее молекулами увеличивается расстояние, и этому способствуют как раз отталкивающие силы. Получается так, что занимая одно расстояние между молекулами в холодном состоянии, можно сказать, растягиваются, и у них появляется больший запас энергии. Именно этот запас энергии высвобождается, когда молекулы воды начинают сближаться друг с другом, то есть, происходит охлаждение. Выходит, что больший запас энергии в горячей воде, и ее большее высвобождение при охлаждении до минусовых температур, происходит быстрее, чем в холодной воде, у которой запас такой энергии меньше. Так какая вода замерзает быстрее - холодная или горячая? На улице и в лаборатории должен происходить парадокс Мпембы, и горячая вода должна превращаться в лед быстрее.
Но вопрос все еще открыт
Существует лишь теоретическое подтверждение данной разгадки - все это написано красивыми формулами и кажется правдоподобным. Но вот когда данные экспериментов, какая вода быстрее замерзает - горячая или холодная, будут поставлены в практическом смысле, и их результаты будут представлены, тогда и можно будет считать вопрос парадокса Мпембы закрытым.
