Почему горячая вода замерзает быстрее?
«Сибирский фейерверк» — так в сети называют трюк с разбрызгиванием крутого кипятка на морозе. Года три назад рунет развлекался роликами под тегом #дубакчеллендж. Посмотреть их можно и сейчас. Кружку с кипятком выносят на мороз (ниже −30°С) и выплёскивают воду в воздух. Капли воды мгновенно превращаются в облако снега. Выглядит эффектно, особенно на фото и видео в режиме slow motion. Если использовать холодную воду, такого эффекта не будет.
Почему горячее остывает быстрее холодного? Это даже звучит контринтуитивно. На вопрос отвечает научный консультант Политехнического музея Майя Коршунова.
Эффект «неправильного использования холодильника»
У каждого физического явления есть научное объяснение. Ещё Аристотель описывал подобное: «Люди, когда хотят быстро остудить воду, начинают с того, что выставляют её на солнце». В XVI и XVII веках наблюдения Аристотеля подтверждали Рене Декарт и Фрэнсис Бэкон, но объяснить, почему так происходит, не могли.
Теперь название есть — «Эффект Мпембы», по имени танганьикского школьника, обнаружившего в 1963 году такой эффект при работе с мороженым. Его наблюдения подтвердил профессор физики Деннис Осборн из университетского колледжа Дар-эс-Саламы. Совместно они подготовили статью, начинающуюся со слов «Меня зовут Эрасто Б. Мпемба, и я собираюсь рассказать вам о своём открытии, которое произошло благодаря неправильному использованию холодильника».
Канадский след
Одновременно этот эффект описал и Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета в статье для American Journal of Physics. Он приводил пример машины, которую моют на морозе холодной или горячей водой. Горячая замерзает быстрее — это знают все российские автолюбители. Канадские, похоже, тоже.
Работает не всегда
Интересно, что эффект Мпембы наблюдается не всегда. Его возникновение и последующее объяснение требует очень точно отслеживать сразу множество параметров: от формы и материала ёмкостей для воды до оценки наличия даже самого малого количества примесей. Например, группа исследователей пришла к такому выводу: результат настолько зависит от внешних условий, что даже положение термометра в стакане воды может привести к возникновению или исчезновению эффекта. Поэтому до недавнего времени среди исследователей не было однозначного мнения о причинах возникновения эффекта Мпембы.
Возможные причины
Исследователи выдвигали такие гипотезы, объясняющие эффект
1) Чем выше температура, тем интенсивнее испарение. В ёмкости с горячей жидкостью масса будет уменьшаться, на её замерзание нужно меньше времени. К тому же процесс испарения протекает с поглощением тепла, что также может ускорить замерзание горячей воды. Однако эффект наблюдался и в закрытых ёмкостях.
2) Интенсивность конвективного теплообмена, который в нашем случае возникает между жидкостью и газом из-за их движения, зависит от разницы температур объекта и окружающей среды. Значит, более горячая жидкость остывает эффективнее до тех пор, пока не достигнет исходной температуры более холодной. Вдобавок холодная вода замерзает сверху, образуется «корка» инея, которая препятствует теплообмену.
Третья — важная! — гипотеза
Наличие примесей в жидкости может оказывать влияние на температуру её замерзания. Помимо этого, в воде находятся растворённые газы, испаряющиеся при нагреве, которые также оказывают влияние на способность воды проводить тепло.
Однако выдвинутые гипотезы были частично опровергнуты экспериментаторами. К тому же они не давали ответа на вопрос, почему эффект наблюдается именно в воде.
С научной точки зрения
Недавнее исследование учёных объясняет эффект Мпембы в воде процессами на молекулярном уровне. Молекула воды состоит из атома кислорода, который связан с двумя атомами водорода связями одного вида — ковалентными. Между молекулами воды образуются другие связи — водородные, они удерживают молекулы вместе. При увеличении температуры водородные связи растягиваются, ковалентные связи сжимаются, при этом в них запасается энергия. При охлаждении запасённая в ковалентной связи энергия высвобождается, что равнозначно дополнительному охлаждению — по сравнению с более холодной жидкостью. Вдобавок, в более горячей воде водородные связи обрываются, а это ускоряет формирование зародышей льда.
Эффект обнаружен не только в воде
Кажется логичным, что горячему объекту сначала нужно достичь температуры холодного, так что нагретое тело должно остывать дольше. Однако, как пишут учёные, в неравновесных системах — например, когда температура не распределена однородно, — такое правило не работает. Система с большей энергией, то есть более нагретая, имеет большее число энергетических конфигураций. И при охлаждении среди таких конфигураций может найтись более короткий путь к достижению низкой температуры.
Выдвинутая исследователями модель показывает, что в неравновесных системах функция распределения частиц по скоростям сильно отличается от классического распределения Максвелла. Эта модель может послужить основой теории эффекта Мпембы не только в воде, но и других веществах. Например, в углеродных нанотрубках и гранулированных жидкостях.
Теперь вы знаете не только в чём состоит эффект Мпембы, но и как он называется, как его объяснить. И даже историю вопроса.
У вас есть ещё вопрос, связанный с устройством мира или человека? Задайте его в комментариях или пришлите нам на почту question@polytech.one