В этой статье мы рассмотрим вопрос, почему горячая вода замерзает быстрее холодной.

Нагретая вода замерзает намного быстрее, чем холодная! Это удивительное свойство воды, точное объяснение которому ученые не могут найти до сих пор, известно с древнейших времен. Например, еще у Аристотеля встречается описание зимней рыбалки: рыбаки вставляли удочки в отверстия во льду, и, чтобы они скорее вмерзли, поливали лед теплой водой. Название этого явления получило по имени Эрасто Мпембы в 60-е годы XX века. Мнемба заметил странный эффект, когда готовил мороженое, и обратился за объяснениями к своему преподавателю физики — доктору Денису Осборну. Мпемба и доктор Осборн экспериментировали с водой разной температуры и сделали вывод: почти кипящая вода начинает замерзать гораздо быстрее, чем вода комнатной температуры. Другие ученые проводили собственные эксперименты и каждый раз получали похожие результаты.

Объяснение физического явления

Общепризнанного объяснения, почему же так происходит, пока нет. Многие исследователи предполагают, что все дело в переохлаждении жидкости, которое происходит, когда ее температура опускается ниже температуры замерзания. Иначе говоря, если вода замерзает при температуре ниже 0°С, то переохлажденная вода может иметь температуру, к примеру, -2°С и при этом оставаться жидкой, не превращаясь в лед. Когда мы пытаемся заморозить холодную воду, есть вероятность, что она сначала переохладится, а затвердеет только через какое-то время. В нагретой воде происходят другие процессы. Ее более быстрое превращение в лед связывают с конвекцией.

Конвекция — это физическое явление, при котором теплые нижние слои жидкости поднимаются, а верхние, остывшие, опускаются.

Многими исследователями выдвигались и выдвигаются свои версии относительно того, почему горячая вода замерзает быстрее холодной. Казалось бы, парадокс – ведь для того, чтобы замёрзнуть, горячей воде для начала нужно остыть. Однако факт остаётся фактом, и учёные объясняют его по-разному.

Основные версии

На данный момент существуют несколько версий, которые объясняют данный факт:

1. Поскольку испарение в горячей воде происходит быстрее, её объем уменьшается. А замерзание меньшого количества воды той же температуры происходит быстрее.
2. Морозильная камера холодильника имеет снеговую прокладку. Контейнер, в котором содержится горячая вода, растапливает снег под собой. При этом улучшается тепловой контакт с морозилкой.
3. Замерзание холодной воды, в отличие от горячей, начинается сверху. При этом конвекция и теплоизлучение, а, следовательно, тепловая убыль ухудшаются.
4. В холодной воде имеются центры кристаллизации – растворенные в ней вещества. При небольшом их содержании в воде заледенение затруднено, хотя в то же время возможно её переохлаждение – когда при минусовой температуре она имеет жидкое состояние.

Хотя справедливости ради можно сказать, что данный эффект наблюдается не всегда. Очень часто замерзание холодной воды происходит быстрее, чем горячей.

При какой температуре вода замерзает

Почему вообще происходит замерзание воды? В её составе содержится определённое количество минеральных либо органических частиц. Это, например, могут быть очень мелкие частицы песка, пыли или глины. При снижении температуры воздуха эти частицы являются центрами, вокруг которых образовываются ледяные кристаллы.

Роль ядер кристаллизации могут также выполнять пузырьки воздуха и трещины в ёмкости, где содержится вода. На скорость процесса превращения воды в лёд во многом влияет количество таких центров – если их много, жидкость замерзает быстрее. При обычных условиях, с нормальным атмосферным давлением, вода переходит в твердое состояние из жидкого при температуре 0 градусов.

Суть эффекта Мпембы

Под эффектом Мпембы понимают парадокс, суть которого в том, что при определённых обстоятельствах горячая вода замерзает быстрее холодной. Этот феномен был замечен ещё Аристотелем и Декартом. Тем не менее только в 1963 году школьник из Танзании Эрасто Мпемба определил, что горячее мороженое замерзает за более короткое время, чем холодное. Такой вывод он сделал, выполняя задание по поварскому делу.

Он должен был растворить в закипевшем молоке сахар и, охладив его, поместить для замерзания в холодильник. Судя по всему, Мпемба особым усердием не отличался и первую часть задания начал выполнять с опозданием. Поэтому он не стал дожидаться остывания молока, и определил его в холодильник горячим. Он очень сильно удивился, когда оно замерзло ещё быстрее, чем у его одноклассников, которые выполняли работу в соответствии с заданной технологией.

Этот факт очень заинтересовал юношу, и он начал эксперименты с простой водой. В 1969 году журнал Physics Education опубликовал результаты исследований Мпембы и профессора Денниса Осборна из университета в Дар-Эс-Саламе. Описанному ими эффекту дали имя Мпембы. Однако и сегодня феномену нет чёткого объяснения. Все учёные сходятся во мнении, что основная роль принадлежит в этом отличиям свойств охлаждённой и горячей воды, однако каким именно – неизвестно.

Сингапурская версия

Физиков одного из сингапурских университетов также заинтересовал вопрос, какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная? Команда исследователей под руководством Си Чзана объяснила этот парадокс именно свойствами воды. Всем ещё со школьной скамьи известен состав воды – атом кислорода и два водородных атома. Кислород в некоторой мере оттягивает от водорода электроны, поэтому молекула являет собой определенного рода «магнит».

В итоге определённые молекулы в воде немного притягиваются между собой и объединяются связью водорода. Её прочность во много раз ниже ковалентной связи. Сингапурские исследователи считают, что объяснение парадокса Мпембы как раз в водородных связях. Если молекулы воды размещены между собой очень плотно, то такое сильное взаимодействие между молекулами способно деформировать ковалентную связь в середине самой молекулы.

А вот при нагревании воды связанные молекулы слегка удаляются друг от друга. В результате в середине молекул происходит релаксация ковалентных связей с отдачей лишней энергии и переходом на низший энергетический уровень. Это приводит к тому, что горячая вода начинает ускоренно охлаждаться. По крайней мере, так показывают теоретические расчеты, которые провели сингапурские учёные.

Моментальная заморозка воды – 5 невероятных трюков: Видео

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.

Эффект Мпембы или почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) - парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры. Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная. Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое - вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии. После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: "Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом - 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?" Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале "Physics Education". С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы. До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах. 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 был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С. Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько объяснений эффекта Мпембы: Испарение Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100 С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0 С. Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, снижается температура из-за того, что уменьшается теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара. Разница температур Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше - следовательно теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается. Переохлаждение Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20 С. Причина этого эффекта в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд. Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда. Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается происходит следующее. В этом случае тонкий слой льда будет образовываться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор между водой и холодным воздухом и будет препятствовать дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх. Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда. Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба. Конвекция Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4 С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее. В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры. Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С. Однако, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции. Растворённые в воде газы Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет. Теплопроводность Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег. Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос - какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы - так и не было получено. Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание. Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли. Утверждать пока можно только одно - воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда. О. В. Мосин

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.