В природе есть много парадоксов и удивительных явлений. Об одном из них мы и поговорим здесь. Казалось бы, холодная вода должна замерзать быстрее, чем горячая, просто потому, что её температура ближе к 0 градусам Цельсия. Но оказывается, что всё совсем не так просто.
История.
Тот факт, что чем горячее вода, тем быстрее она остывает, был отмечен ещё Аристотелем. Это вполне логично, поскольку более высокая температура приводит к испарению и излучению тепла. Испарение же, в свою очередь, - эндотермический процесс (то есть идёт с поглощением тепла), что и приводит к более быстрому охлаждению. Тут всё понятно, но этот факт не влияет на замерзание воды при её дальнейшем охлаждении, а это как раз самое интересное. В 1963 году танганьикский (нынешняя Танзания) школьник Эрасто Мпемба обратил внимание что горячая смесь для приготовления мороженого застывает быстрее чем холодная. С вопросом почему так происходит он обратился к приехавшему в его школу физику Деннису Осборну. Оказалось, что разумного научного объяснения этому явлению нет. Тогда они вдвоём опубликовали статью статью, в которой и описали проблему. С тех пор этот парадокс и получил своё название.
Суть.
В статье была описана следующая серия экспериментов:
В лабораторные стаканчики наливали по 70 мл воды различной температуры (от 25 до 90 градусов Цельсия). Эти стаканчики помещали в морозильную камеру и засекали время, через которое вода начнёт застывать. Получили вот такой график:
Те есть если поставить в морозилку одновременно два стакана с водой, в первом из которых будет вода комнатной температуры (25 градусов Цельсия), а во втором почти кипяток (90 градусов Цельсия), то второй стакан застывает в 3 раза быстрее! Согласитесь, это кажется весьма абсурдным и слабо укладывается в голове. Да, можно представить что горячая вода теряет свою температуру быстрее чем холодная. Но ведь рано или поздно вода во втором стакане охладится до тех же 25 градусов и сравняется с изначальной температурой первого, вода в котором, за это время должна была уже охладиться до ещё более низкой температуры и всё равно быть "впереди" на пути к замерзанию. Но на то это и парадокс.
Конечно же многие ученые пытались найти объяснения такому странному явлению. Было высказано много предположений, вот несколько из них:
- Горячая вода начинает испаряться. В морозилке пар застывает и падает обратно в стакан, образовывая корку льда
- Испарение части горячей воды стакана приводит к уменьшению её объема, а меньший объём воды замерзает быстрее. В герметичных стаканах холодная вода должна замерзать быстрее.
- Контейнер с горячей водой плавит под собой снег (который может быть в морозильной камере), улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозильника. При отсутствии снеговой подкладки стакан с холодной водой должен замерзать быстрее.
- Холодная вода начинает замерзать сверху, это ухудшает дальнейшую теплоотдачу, а горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
- Возможно причиной является наличие примесей в горячей воде. Они могут служить центрами кристаллизации и ускорять образование льда. При малом количестве таких центров превращение воды в лёд затруднено. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.
Однако, за счёт дополнительных экспериментов в разных условиях было показано, что вышеперечисленные факторы не являются причиной эффекта. Было предложено ещё много других версий и теорий, объясняющих эффект, но позже они опровергались.
Разгадка?
На сегодняшний день считается, что данный эффект связан с особенностями связи молекул воды. Каждая молекула воды состоит из относительно большого атома кислорода и двух маленьких атомов водорода, которые связаны между собой ковалентной связью (это довольно сильная химическая связь). Но когда молекул воды несколько, атомы водорода одной молекулы начинают взаимодействовать с кислородом соседней молекулы, образуется так называемая водородная связь. Она гораздо слабее ковалентной, но тоже очень важны. Если упростить, то такая конфигурация связей в молекулах воды приводит к тому, что при её охлаждении выделяется дополнительная энергия, которая служит "подогревом" и тормозит процесс охлаждения. А вот в горячей воде увеличение расстояния между молекулами приводит к "растягиванию" связей и уменьшению запаса энергии. То есть в этом случае ничего не мешает процессу охлаждения и от того она замерзает быстрее. Такое объяснение хорошо подтверждается экспериментально, поэтому оно считается наиболее вероятным, хотя научные споры на эту тему всё ещё продолжаются.
На этом всё, спасибо, что прочитали!