Автор: Прохожий. Телеграм канал: https://t.me/fogofwarcannel
«Меня зовут Эрасто Б. Мпемба, и я собираюсь рассказать вам о своем открытии злоключениях, которое произошло из-за неправильного использования холодильника». Примерно так начиналась научная статья 1969 года в журнале «Физическое образование» («Physics Education») в которой ученик средней школы города Магамбо (Танзания) Эрасто Мпемба, описал свой опыт приготовления мороженого.
Казалось, какие научные истины и теории может вынести африканский юноша из общения с подержанным холодильником? Однако, не всё так просто… Считается, что Мпемба сделал случайное открытие, когда однажды нарушил устоявшиеся годами правила приготовления мороженого. Сверстники пытливого танзанийского школьника обычно изготавливали лакомство путём смешивания кипячёного молока с сахаром. Получившаяся масса охлаждалась до комнатной температуры, а затем ставилась в морозильную камеру, где при замерзании сгущалась до нужной консистенции.
Однако, в школьном холодильнике всегда было мало места. В спешке, чтобы захватить последний доступный лоток, Мпемба решил не ждать пока его варево остынет и всунул горячую массу сразу в морозилку. Через полтора часа начинающий технолог пищевой промышленности обнаружил, что его смесь превратилась в мороженое, в то время как в лотках его более терпеливых товарищей всё ещё колыхалась густая кашеобразная масса. Мпемба заинтересовался причинами быстрого замерзания горячей смеси. Поспрашивав местных мороженщиков, школьник выяснил, что они тоже так делают, но никто из них так и не смог объяснить почему: Всегда так делаем! Так принято!
Тогда Мпемба обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником: «Это уже не общепринятая физика, а какая-то физика Мпембы». На лицо было явное нарушение законов термодинамики.
В один из дней в школу пригласили доктора Дениса Г. Осборна из Университетского колледжа в Дар-эс-Саламе прочитать лекцию по физике. В этот раз пытливый Мпемба вновь решил задать свой вопрос. Однако, чтобы его окончательно не засмеяли учителя и школьные товарищи, Мпемба облёк вопрос в наукообразную форму: «Если вы возьмете два стакана с равными объемами воды, один с температурой 35 ° C, а другой с температурой 100 ° C, и поставите их в холодильник, сначала замерзнет вода с температурой 100 ° C. Почему?»
Доктор Осборн сначала отнёсся к этому со здравым скептицизмом, но не отверг вопрос сразу и пообещал изучить проблему по возвращении в Дар-эс-Салам. Уже на рабочем месте Осборн вместе с ассистентом провёл эксперимент, результаты которого полностью подтвердили утверждение Мпембы: при одинаковых количествах горячей и холодной воды в двух одинаковых сосудах, в холодильнике замерзает первым сосуд, в котором находилась горячая вода.
Однако, Осборн был опытным учёным и пришёл к выводу, что скорее всего сами эксперименты проведены некорректно и потребуются более сложные опыты для серьёзной оценки происходящего. Тем не менее, результаты были настолько интригующими, что учёный пригласил Мпембу написать в научный журнал совместную статью под названием «Cool!» (игра слов, англ. – круто, холодно) представлявшую собой головоломку для пытливого ума.
Тут же кто-то вспомнил, что впервые это явление было замечено Аристотелем, который указывал: «Тот факт, что вода была предварительно нагрета, способствует ее быстрому замерзанию: так она быстрее остывает. Поэтому многие люди, когда хотят быстро охладить воду, начинают с того, что ставят ее на солнце…» Кроме того, тот же эффект отмечался многими натурфилософами эпохи Возрождения и более поздними учёными, включая Рене Декарта и Фрэнсиса Бэкона. Однако, до 1960-х годов никто не воспринимал проблему всерьёз и только после публикации статьи парадокс получил название «эффект Мпембы».
На сегодняшний момент предложено больше десятка вариантов объяснения парадокса, причём как чисто прикладных, так и научных, например:
- в ходе эксперимента горячая вода быстрее испаряется из емкости, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объём воды с той же температурой замерзает быстрее;
- наличие снеговой подкладки в морозильной камере холодильника. Контейнер с горячей водой плавит под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозильника.
- горячая вода может содержать меньше растворённых газов, потому что большое количество газа уходит при нагревании. Предполагается, что это изменяет свойства горячей воды, и она быстрее охлаждается;
- появляется эффект «переохлаждения», когда температура холодной воды уходит в минус, при этом вода не превращается в лёд;
- по мере нагревания водородные связи ослабевают, и молекулы воды в кластерах занимают такие позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда;
В общем куча объяснений, но однозначного ответа на вопрос, что именно обеспечивает стопроцентное воспроизведение эффекта Мпембы так и не найдено.
Казалось, что точку в проблеме поставила группа учёных опубликовавших в 2016 г. в журнале «Scientific Reports» работу, полностью опровергавшую наличие странного парадокса. Статья показывала, что при охлаждении трёх 400-граммовых порций воды, во всём идентичных между собой за исключением начальной температуры (21,8, 57,3 и 84,7 °C), залитых в одинаковые стаканы и помещённых в термостатный морозильник при −18 °C, горячая вода достигала нулевой температуры дольше (соответственно за 6397, 9504 и 10812 секунд), как и следовало ожидать согласно первому закону термодинамики.
В добавок, появились работы в которых указывалось, что эксперименты с замораживанием крайне чувствительны к применяемым методам и средствами измерения процесса. Отклоните термометр на несколько миллиметров от оптимального положения и у вас в руках немедленно появятся ложные доказательства эффекта Мпембы.
Однако, в то же самое время, часть физиков продолжала настаивать на реальности парадокса. По их мнению, основная проблема состояла в том, что эффект часто оказывался неуловим, проявляясь при возникновении лишь определённых условий. Некоторые связывали это с физикой неравновесных состояний, где учёные вступали в настоящую «terra incognita». Так, в равновесном состоянии жидкость в бутылке может быть описана уравнением с тремя параметрами: ее температурой, объемом и количеством молекул. Но засуньте бутылку в морозильную камеру и все летит к чертям. Частицы с внешнего края будут погружены в ледяную среду, а те, что находятся глубже, останутся теплыми. Такие параметры как температура и давление больше не будут иметь чётких значений.
Кроме того, в 2019 г. вышли теоретические работы обнаружившие, что эффект Мпембы может проявляться в значительной части неупорядоченных материалов, таких как стекло. Ещё более запутывало ситуацию утверждение, что явление может действовать как в одну, так и в другую сторону. Были созданы модели, которые показывали, что более холодные жидкости могли нагреваться гораздо быстрее в результате столь же странного обратного эффекта Мпембы.
Подводя некоторые итоги можно сказать, что сейчас учёные лишь в теории подходят к разгадке вопроса, заданного в далёких 1960-х годах Эрасто Мпембой. На сегодняшний день никаких убедительных доказательств, что горячая вода застывает быстрее холодной не существует. Кажется, что всё это настоящая магия…
Ссылка на канал автора в дзене: Есть такая военная тема
Поддержите автора в телеграм: https://t.me/fogofwarcannel
И конечно же, традиционные ссылки на наших коллег по ремеслу. Рекомендуем, если ищете, что почитать.
Каналы, на которые стоит подписаться!
Научно-популярные каналы на Дзене: путеводитель
И конечно же читайте замечательный блог Фантагиро Бурерождённой
