Кажется, это противоречит нашим предвзятым представлениям, но горячая вода действительно может замерзнуть быстрее, чем холодная. До недавнего времени ученые не могли объяснить, почему это происходит. Теперь у них есть ответ.
Факт в том, что горячая вода при определенных условиях может замерзнуть быстрее, чем холодная. Это явление было впервые обнаружено в 1963 году танзанийским студентом по имени Эрасто Мпемба. Мпемба заметил нечто необычное на уроке кулинарии: горячая смесь для мороженого замерзала быстрее, чем холодная. Позже он задал вопрос «почему?» физику доктору Денису Осборну, который проверил наблюдения Мпембы. Он подтвердил, что это правда, и явление стало известно как эффект Мпембы.
Однако Мпемба не был первым, кто заметил это явление. Похожее наблюдал Аристотель в IV веке до н. э., а также Рене Декарт и сэр Фрэнсис Бэкон. Но именно Мпемба при поддержке доктора Осборна опубликовал в 1969 году первую научную статью об этом эффекте. Несмотря на то что эффект Мпембы был очевиден, ученые долго не могли понять, почему он возникает и при каких условиях это происходит.
Было предложено множество теорий, чтобы объяснить, казалось бы, простой вопрос. Одна из теорий утверждала, что из-за более быстрого испарения горячей воды уменьшается ее объем, оставшийся для замерзания. Другая предполагала, что холодная вода покрывается слоем льда, который действует как изолятор, замедляя замерзание. Еще одна версия связывала эффект с различными растворенными веществами в воде, которые удаляются при нагреве.
Как часто бывает в науке, эффект Мпембы не проявляется всегда. В большинстве случаев холодная вода замерзает быстрее горячей, но эффект Мпембы регулярно наблюдается при определенных условиях. До недавнего времени существовали только гипотезы о причинах этого явления. Лишь недавно группа физиков нашла ответ на этот, казалось бы, простой вопрос.
Физики из Наньянского технологического университета в Сингапуре выяснили, что причина эффекта Мпембы заключается в химических связях, удерживающих молекулы воды вместе. Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, связанных ковалентной связью (химической связью, основанной на совместном использовании электронов между атомами). Кроме того, молекулы воды связаны между собой более слабыми водородными связями, которые образуются, когда атом водорода оказывается рядом с атомом кислорода другой молекулы воды. Предполагается, что именно эти более слабые связи являются ключом к эффекту Мпембы.
Изменения связей в холодной и теплой воде
Как показано на рисунке выше, до нагревания молекулы воды расположены близко друг к другу и «давят» друг на друга. Ковалентные связи водорода в каждой отдельной молекуле воды натягиваются, накапливая энергию. Когда вода нагревается, ее плотность уменьшается, и молекулы воды начинают раздвигаться. Это вызывает растяжение более слабых связей между молекулами.
Это растяжение, то есть раздвижение молекул воды, позволяет ковалентным связям расслабиться и выделить свою энергию, то есть тепло. Теоретически это приводит к охлаждению, из-за чего горячая вода остывает быстрее, чем холодная, и при определенных условиях замерзает быстрее.
Проще всего представить эти связи в виде резиновой ленты. Когда лента натягивается, она накапливает энергию (тепло), а при расслаблении выделяет ее, передавая в окружающую среду. В случае замерзания холодной воды энергия этих ковалентных связей не высвобождается так, как это происходит в теплой воде.
Если у вас закружилась голова, утешает тот факт, что ученые до сих пор спорят о природе эффекта Мпембы. Поразительно, что явление, которое кажется таким простым, озадачивает умы уже на протяжении многих веков.
Если вы хотите читать больше интересных историй, подпишитесь пожалуйста на наш телеграм канал: https://t.me/deep_cosmos