Найти в Дзене
Benefactor
1 подписчик

Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная?

13
7 мин
Хай всем индивидуальным личностям, с вами Тимур! Присаживайтесь поудобнее, заваривайте чаёк или готовьте какао, берите печеньки, включайте музыку под постом для полного погружения и начинаем! Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная? Очевидно, что ответ будет отрицательным, потому что при прочих равных условиях горячая вода должна остыть до той же температуры, что и холодная, а затем замерзнуть также, как и холодная вода, так что это должно занять больше времени, не так ли? Но Эффект Мпембы опровергает это. Данный эффект был назван в честь Эресто Мпембы, танзанийского физика, который в 1963 году, будучи школьником, приготовлял мороженое в рамках школьного проекта. Студенты вначале должны были вскипятить смесь сливок и сахара, а затем дать этой смеси остыть, прежде чем положить в морозильник. Но Мпемба, опасаясь, что от смеси после кипячения может ничего не остаться, положил смесь в морозильник сразу после кипячения. Вернувшись за смесью через полтора часа, он обнаружил, что его
Оглавление

Хай всем индивидуальным личностям, с вами Тимур!

Присаживайтесь поудобнее, заваривайте чаёк или готовьте какао, берите печеньки, включайте музыку под постом для полного погружения и начинаем!

Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная?

Очевидно, что ответ будет отрицательным, потому что при прочих равных условиях горячая вода должна остыть до той же температуры, что и холодная, а затем замерзнуть также, как и холодная вода, так что это должно занять больше времени, не так ли?

Но Эффект Мпембы опровергает это.

Данный эффект был назван в честь Эресто Мпембы, танзанийского физика, который в 1963 году, будучи школьником, приготовлял мороженое в рамках школьного проекта.

Студенты вначале должны были вскипятить смесь сливок и сахара, а затем дать этой смеси остыть, прежде чем положить в морозильник. Но Мпемба, опасаясь, что от смеси после кипячения может ничего не остаться, положил смесь в морозильник сразу после кипячения. Вернувшись за смесью через полтора часа, он обнаружил, что его смесь замёрзла, в то время как у его одноклассников подобного не произошло. Мпемба заинтересовался этим и обратился за помощью к профессору физики Деннису Осборну, чтобы исследовать эффект с помощью крема и воды. Им удалось повторить открытие Мпембы и опубликовать научную статью по физике, гласящая, что тёплая вода действительно замерзает быстрее, чем холодная.

Но Мпемба был не первым человеком, открывшим этот эффект. Открытие эффекта восходит, как минимум, ко временам Аристотеля, который заметил факт того, что "если вода была предварительно нагрета, это способствует быстрому замерзанию, так как таким образом она быстрее остывает, поэтому многие люди в случаях, когда требуется быстро охладить горячую воду, начинают с того, что выставляют её на Солнце."
Сэр Фрэнсис Бэкон писал, что тёплая вода замерзает быстрее, чем холодная вода, и Декарт в своём эссе утверждает, что мы также можем экспериментально убедиться в том, что вода, которая долго время была горячей, замерзает быстрее, чем холодная, потому что самые активные частички испаряются при нагревании. Таким образом, наблюдение того, что горячая вода замерзает быстрее, имеет долгую историю.

Но какова физическая основа данного эффекта?

Существует 5 предложенных гипотез, связанных с таянием инея, газами, переохлаждением, испарением и конвекцией.

  • Первой гипотезой является таяние инея, при котором вы помещаете два стакана с водой в морозильник, а иней действует как теплоизолятор. Таким образом, вокруг холодного стакана иней не растает, но вокруг тёплого стакана он растает. Это создаёт проводящий слой жидкой воды вокруг основания тёплого стакана, что значительно увеличивает скорость его охлаждения. Так вот, это может иметь место в наблюдениях Эффекта Мпембы.
  • Итак, гипотеза номер два основана на растворённых газах. Одно из общеизвестных различий между тёплой и холодной водой заключается в количестве растворённых газов. В холодной воде содержится гораздо больше полезных веществ, чем в горячей, так что по мере того, как тёплая вода остывает, в ней постоянно растворяются газы. Но это экзотермический процесс, так что на самом деле он должен замедлять охлаждение, а не ускорять его.
  • Различия в концентрациях растворённых газов могут сыграть определённую роль вместе со следующей гипотезой номер три - переохлаждением. Предполагается, что вода замерзает при температуре ноль градусов по Цельсию, но на самом деле она может стать значительно холоднее, прежде чем произойдёт замерзание. Переохлаждение происходит потому, что лёд нуждается в месте зарождения, таком как примесь или пузырь воздуха, прежде чем он сможет образоваться. Гипотеза заключается в том, что вода, которая изначально была тёплой, может испытывать меньшее переохлаждение и поэтому замёрзнуть раньше, чем холодная вода, хотя причина этого не совсем ясна. Хотя некоторые эксперименты показали, что различия в переохлаждении приводят к тому, что изначально тёплая вода замерзает быстрее, результаты очень противоречивы, и это важно. Этот эксперимент практически невозможно воспроизвести даже в одной и той же лаборатории в одно и то же время. В этом нет ничего удивительного, учитывая, что сверхохлаждение зависит от чего-то крошечного, как пылинка. И если вдуматься, то сам процесс заморозки проблематичен не только из-за свеохохлаждения, но и потому, что для его осуществления требуется много энергии. Чтобы изменить состояние воды из жидкого в твёрдое при нулевой температуре по Цельсию, требуется удалить такое же количество энергии, как и при её охлаждении с 80 градусов по Цельсию до нуля. Так вот, если подумать, то время, необходимое для охлаждения и замерзания воды, должно определяться самим процессом замораживания, а не временем, необходимым для охлаждения воды до нуля.

Именно поэтому во многих исследованиях Эффекта Мпембы игнорировался непредсказуемый процесс замерзания и внимание уделялось исключительно времени, которое требуется для того, чтобы образец воды достиг нуля по Цельсию. Так что же, если не обращать внимания на замерзание, может привести к тому, что горячая вода остынет быстрее, чем холодная?

  • Это подводит нас к четвёртой гипотезе - испарению. Если вы начнёте с двух стаканов, содержащих одинаковое количество воды - одну горячую, а другую холодную, то горячая вода потеряет больше молекул воды через испарение, чем холодная. Так что, как только вода достигнет той же температуры, что и в холодном стакане, она остынет быстрее, потому что в стакане останется меньше воды. Но реальность такова, что потеря массы обычно составляет менее трёх процентов, и этого недостаточно, чтобы объяснить разные скорости охлаждения. Кроме того, даже в экспериментах с использованием герметичных мензурок до сих пор сообщалось об Эффекте Мпембы.
  • Пятая и последняя гипотеза - это конвекция. Вода охлаждается в основном с поверхности и с боком стакана, а середина остаётся тёплой. Таким образом, холодная вода опускается, а тёплая поднимается, чтобы занять её место. Это и есть конвекция. Теперь стакан с тёплой водой будет испытывать большие температурные градиенты и, следовательно, содержать большие конвекционные потоки. Так что даже когда он достигнет той же температуры, что и изначально холодный стакан, в нём всё равно будет больше конвекции, и поэтому он будет охлаждаться быстрее.
В 2012 году Королевское химическое общество предложило приз за лучшее объяснение Эффекта Мпембы, и они получили 22000 заявки на участие. Но даже в этом случае до сих пор нет единого мнения о причинах Эффекта Мпембы, и недавние исследования показывают, что эффекта может вообще не произойти.

Как же так получилось, что мы до сих пор не знаем, что происходит с такой простой вещью, как замерзание воды?

Вот что я думаю по этому поводу.

Люди наблюдали, как тёплая вода замерзает быстрее, чем холодная, в реальных условиях на протяжении сотен, а то и тысяч лет. И ряд экспериментальных исследований, по видимому, подтверждают эти наблюдения, так что мы не можем просто так отмахнуться от Эффекта Мпембы. Но замерзание воды это более непредсказуемое явление, чем большинство людей себе представляют. Существует так много переменных величин, что на самом деле очень трудно обеспечить равенство всех параметров, за исключением начальной температуры двух мензурок. В 2016 году было проведено строго контролируемое исследование, и учёные не смогли найти никаких доказательств того, что тёплая вода охлаждается быстрее, чем холодная. На самом деле, чтобы остыть до нуля по Цельсию, тёплой воде потребовалось значительно больше времени, чем холодной, как и следовало ожидать. Но они показали, что если изменить расположение термопары - маленького устройства, используемого для измерения температуры, всего на один сантиметр в тех же экспериментах, то появится небольшой Эффект Мпембы. Учёные проанализировали все другие исследования Мпембы, которые предоставили достаточно данных, и показал, что описанные эффекты находятся в пределах допустимой погрешности, если место измерения температуры изменяется всего на сантиметр.
Таким образом, нет никаких реальных доказательств Эффекта Мпембы. Тёплая вода не замерзает быстрее, чем холодная, и это не просто эзотерическое открытие, связанное с причудой природы. Если бы Эффект Мпембы действительно существовал, это имело бы серьёзные последствия для термодинамики. Это означало бы, что молекулы воды обладают своего рода памятью о своём более раннем состоянии или состояниях, а это означало бы необходимость обновить термодинамические таблицы, включив в них не только информацию о температуры воды, но и о том, какой она была раньше. Так что, возможно, нам следует быть благодарными за то, что Эффекта Мпембы, по крайней мере в тщательно контролируемых условиях, не существует, потому что если бы это было не так, то это значительно усложнило бы термодинамику.

И как всегда, Спасибо за внимание.

ИСТОЧНИКИ:

https://www.nature.com/articles/srep37665