Какая вода замёрзнет быстрее – горячая или холодная? По чисто человеческой логике, конечно же, холодная. Горячей воде сначала нужно остыть до температуры холодной, и только потом начнётся кристаллизация. Следовательно, ей понадобится больше времени.
Только вот у физики своя логика. Потому в определённых условиях горячая вода может замёрзнуть быстрее. Это явление известно как эффект Мпембы.
От наблюдения школьника до научных споров
Явление названо в честь танзанийского школьника Эрасто Мпембы, который в 1963 году заметил, что горячая смесь для мороженого застывает в морозилке быстрее, чем холодная. Позже Мпемба вместе с профессором Деннисом Осборном провёл эксперименты с водой и в 1969 году опубликовал совместную статью.
Интересно, что такие наблюдения описывали ещё Аристотель, Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт. Однако в XX веке наука долго списывала всё на ошибки измерений или случайные факторы.
Основные объяснения
Физики сходились на том, что в процессе задействован комплекс из нескольких бытовых факторов:
· Испарение: горячая вода активно испаряется, теряя массу, а меньший объем жидкости естественно замерзает быстрее.
· Конвекция: в горячей воде из-за большой разницы температур между стенками сосуда и центром происходит макроперемешивание, ускоряющее отдачу тепла.
· Растворённые газы: в горячей воде газов меньше, и отсутствие микропузырьков может влиять на процесс образования кристаллов льда.
Молекулярный уровень
Когда же объяснений не хватило для точных математических моделей, физики из Сингапура заглянули внутрь самой молекулы воды. Они связывали эффект с поведением водородных связей. При нагревании эти связи между молекулами воды ослабевают, из-за чего они немного отдаляются, а внутримолекулярные ковалентные связи слегка сжимаются.
Авторы предположили, что это состояние позволяет воде быстрее отдавать тепло при последующем охлаждении. Идея интересна, но осталась гипотезой и не стала общепринятым объяснением.
Самое интересное случилось, когда начали перепроверять феномен в абсолютно стерильных условиях, исключив конвекцию, испарение и случайные примеси. В идеальной контролируемой среде эффект Мпембы исчезал.
Существует ли эффект на самом деле?
Научный мир разделился. Большинство исследователей считают, что универсального «парадоксального» эффекта, противоречащего базовой физике, не существует. Однако в определённых реальных условиях горячая вода действительно может замерзнуть быстрее холодной.
То есть эффект Мпембы – не термодинамический парадокс, а реальность с условным, нелинейным характером. Чтобы он случился, должен сложиться целый пазл: геометрия стакана, теплопроводность подставки в морозилке и химический состав воды… Классическая физика здесь прекрасно работает – просто детали оказываются интереснее, чем кажется на первый взгляд.