Да, вы правильно прочитали, вопрос в названии звучит верно!
Мы все учились в школе и изучали физику, но этот парадокс заставил меня задуматься: так ли на деле все очевидно? Если поразмыслить, кажется, что горячей воде нужно сначала остыть до нуля, а уже потом превращаться в лёд, при этом температура холодной воды изначально ближе к нулю. Я и сейчас так думаю =) Но существует явление, которое ставит под сомнение эту очевидность - эффект Мпембы.
Свое название феномен получил в честь Эрасто Мпембы, школьника из Танзании. В 1963 году на уроке ученикам поручили приготовить мороженое. Требовалось вскипятить молоко с сахаром, дать ему остыть и затем заморозить. Мпемба, опасаясь, что для его мороженого не останется места, поставил в морозилку еще горячую смесь. Спустя полтора часа он с удивлением обнаружил, что его мороженое уже застыло, в то время как у одноклассников, дождавшихся, пока молоко остынет, оно оставалось жидким.
Мпемба не был первым, кто заметил подобное явление. Ещё Аристотель отмечал: «Вода, будучи в начале подогретой, замёрзнет быстрее, ибо остынет скорее. Вот почему многие, кто стремится обратить горячую воду в холодную, сперва выставляют её на солнце».
Пять гипотез
У феномена замерзания горячей воды богатая история наблюдений. В чём же причины этого явления? Существует несколько гипотез для объяснения этого эффекта:
1. Подтаивание льда. Если поставить два контейнера с водой в обледеневшую морозилку, то лёд выступит в качестве теплоизолятора, поэтому остывать сосуды будут дольше. Но горячая вода может растопить лёд под собой, что создаст лучший тепловой контакт и ускорит процесс охлаждения. Однако в ряде опытов, где основание сосуда не соприкасалось со стенками морозилки, эффект также наблюдался.
2. Растворённые газы. Известно, что в холодной воде их заметно больше, чем в тёплой. При нагревании газы улетучиваются. При остывании горячей воды количество газов в ней растёт, и этот процесс сопровождается выделением тепла, что, наоборот, должно замедлять замерзание. Поэтому данная гипотеза не может объяснить ускорение.
3. Переохлаждение. Вода теоретически превращается в лёд при 0°C. Но на практике она может охладиться значительно ниже нуля и лишь потом резко замёрзнуть. Переохлаждение происходит, если в воде нет центров кристаллизации - примесей или пузырьков воздуха. Считается, что в более горячей воде (которая, как правило, сильнее очищена от газов) вероятность переохлаждения ниже, поэтому она начинает замерзать раньше, чем переохлажденная холодная вода. Однако этот процесс очень неустойчив и зависит от случайных факторов, таких как соринка или царапина на стенке сосуда, поэтому результаты экспериментов часто противоречивы.
4. Испарение. Горячая вода испаряется активнее, чем холодная. Значит, при охлаждении объем горячей жидкости уменьшится, и меньшему количеству воды потребуется меньше времени для замерзания. Однако на практике испаряется обычно меньше 3% жидкости, чего явно недостаточно для существенной разницы в скорости.
5.Конвекция. Вода охлаждается в первую очередь на поверхности и у стенок сосуда. Из-за большей разницы температур конвекционные потоки (когда холодная вода опускается, а теплая поднимается) в горячем сосуде гораздо интенсивнее. Это обеспечивает более быстрое и равномерное охлаждение. Даже когда сосуд остынет до начальной температуры холодного образца, инерция конвекции может сохраниться, продолжая ускорять процесс.
Для перехода воды при 0°C из жидкого состояния в твёрдое требуется столько же энергии, сколько для того, чтобы охладить ее с 80 до 0 градусов. Так что основную часть времени замерзания занимает сам процесс превращения жидкости в лёд. Поэтому во многих исследованиях эффекта Мпембы ученые измеряют лишь время, которое нужно воде, чтобы охладиться примерно до 0°C, оставляя столь непредсказуемый этап кристаллизации за скобками.
Почему наука до сих пор не разобралась с таким, казалось бы, простым феноменом? Факт того, что тёплая вода замерзает быстрее холодной, люди наблюдают в быту сотни, даже тысячи лет, и эксперименты вроде бы подтверждают этот феномен в лабораторных условиях. От эффекта Мпембы нельзя просто так отмахнуться.
Эффект не подтвержден?
И все же в 2016 году было проведено тщательно контролируемое исследование. Его авторам не удалось обнаружить доказательств того, что теплая вода остывает до 0°C быстрее, чем холодная. Напротив, горячей воде требовалось значительно больше времени. Интересно, что при смещении датчика, измеряющего температуру, всего на сантиметр, в данных иногда появлялся слабый признак эффекта Мпембы. Однако последующий анализ показал, что с учетом погрешностей измерений этот эффект оказывался статистически незначимым.
Так что, быть может, это и хорошо, что эффект Мпембы, по крайней мере в строго контролируемых условиях, не подтверждается. Иначе бы термодинамика оказалась куда запутанней.
Надеюсь, было интересно! Поддержите автора подпиской и лайком, так Вы точно не пропустите новые статьи. Дальше будет еще интереснее=)
Другие статьи автора: