Вот почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

Вы, возможно, слышали раньше, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная – это эффект Мпембы. И возможно вы не поверили услышанному.

Эффект Мпемба

Но давайте проясним одну вещь: на самом деле нет никаких споров о том, что эффект Мпемба существует. Это наблюдалось в многочисленных контролируемых экспериментах. Аристотель впервые отметил его существование, когда написал о том, как рыбаки нагревали воду. Чтобы она быстрее замерзла, более двух тысячелетий назад.

Эффект назван в честь танзанийца Эрасто Мпембы, который, будучи учеником средней школы в 1963 году, заметил, что смеси горячего мороженого замерзают быстрее, чем смеси холодного мороженого. Его вопрос к приглашенному лектору «Если вы возьмете два одинаковых контейнера с равными объемами воды, один с температурой 35°C, а другой – с температурой 100°C, и поставите их в морозильник. То тот, который был с температурой 100°C, замерзает первым. Почему? ” Вызвав, поначалу смех, позже опыт был воспроизведен и подтвержден.

Это совершенно нелогично и, похоже, нарушает основные законы термодинамики. Для ясности, мы говорим здесь о том, что при определенных условиях общее время, необходимое для замерзания объема теплой воды, будет меньше. Чем общее время, необходимое для замерзания равного объема холодной воды, с учетом точно такой же внешней температуры.

Это действительно странная вещь. Ведь в какой-то момент процесса теплая вода не достигает того же начального состояния, что и холодная? И если да, то почему эта холодная вода, которая недавно была горячей, замерзает быстрее, чем вода, которая вначале была холодной? Это заставляет людей чесать в затылках или открыто отрицать существование вопроса на протяжении десятилетий.

Попытки объяснения

С тех пор были выдвинуты многочисленные объяснения, чтобы попытаться объяснить это явление. Но ни одно из них не было чем-то большим, чем правдоподобно звучащими теориями.

Вот несколько из них:

Теория: конвекционные токи в теплой воде, вызванные большими перепадами температур, заставят ее охлаждаться быстрее. И эти конвекционные потоки продолжаются даже после того, как вода остынет до той же температуры, что и более холодная вода. Что позволит ей обогнать более холодную воду в замораживание.
Проблема: вода – довольно вязкое вещество. И подобные конвекционные потоки не будут продолжать течь в течение времени, необходимого для охлаждения воды.

Теория: Горячая вода испаряется. Меньше оставшейся воды означает меньше воды для замерзания.
Проблема: даже с учетом испарения горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

Теория: Горячая вода создает в воздухе внутри морозильной камеры конвекционные потоки. Что увеличивает его эффективность охлаждения.
Проблема: вы можете провести эксперимент с горячим и холодным противнями в одной морозильной камере. И при этом наблюдать, как теплый лоток замерзает быстрее, чем холодный.

Теория: Холодная вода замерзает слоем сверху, создавая изоляцию и не позволяя остальной части очень быстро остыть.
Проблема: горячая вода также образует этот слой наледи.

Экспериментальные проблемы велики. Потому что есть так много переменных, которые нужно контролировать. Помимо начальной температуры, есть также форма морозильной камеры, объем и форма контейнера, изоляционные свойства контейнера, растворенные твердые вещества в воде и т. д.

До публикации исследования Сингапурского университета наиболее правдоподобная работа была сделана заинтересованным неспециалистом Джеймсом Браунриджем. Который предположил, что нагревание воды изменяет природу ее примесей. Что, в свою очередь, изменяет ее точку замерзания. Он заметил, что большая часть воды на самом деле переохлаждена ниже 0°C. При этом она не начинает кристаллизоваться, пока температура не станет значительно ниже.

Последние исследования

Недавно исследователи из университета в Сингапуре предложили, возможно, наиболее правдоподобное объяснение эффекта Мпемба.

В новом исследовании утверждается, что на самом деле существует химическое объяснение этого эффекта. Которое математически соответствует наблюдаемым данным. И возможно, это первое объяснение, которое может это сделать.

Молекулы воды состоят из двух молекул водорода, прикрепленных к молекуле кислорода. В основном за счет прочных ковалентных связей. Обычно ковалентные связи размягчаются и удлиняются при нагревании. Но в воде из-за уникальных свойств водородных связей, взаимодействия между атомами водорода в одной молекуле воды и молекулой кислорода в соседней молекуле, происходит обратный эффект. Когда вода поглощает энергию, водородные связи будут растягиваться. Заставляя отдельные молекулы воды отдаляться друг от друга. Но ковалентные связи внутри каждой молекулы становятся короче и жестче. То же самое, что происходит при замерзании воды.

Таким образом, на молекулярном уровне нагретая вода больше напоминает замороженную воду, чем исходная более холодная вода. Что еще более важно, скорость, с которой высвобождается энергия в этих сжатых ковалентных связях, экспоненциально зависит от того, сколько энергии было изначально сохранено. Фактически, горячая вода имеет энергию, подобную источнику, который высвобождается, когда вы начинаете охлаждать ее, позволяя ей быстрее остывать и замерзать.