Что быстрее замерзнет холодная вода или горячая: Еще одно объяснение эффекта Мпембы (это про почему кипяток замерзает быстрее холодной воды) / Хабр

Почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

Курение очень вредно. Но этот вред, как оказалось, связан не с никотином, а с дымом сигареты, с продуктами горения. Далее

Попадает ли алюминий из фольги в пищу? Насколько это вредно? Далее

Правда ли, что вода в озере Старой Руссы из древнего океана? Далее

Это часто наблюдаемое в небе явление остается загадочным для многих людей. Не так давно оно породило целую конспирологическую теорию. Далее

Эти первые весенние цветы возглавляют таблицы продуктов с высоким содержанием витамина С. Далее

Среди электрических обогревателей, которые мы используем в быту, наиболее популярными сейчас становятся инфракрасные нагреватели. Они очень широко рекламируются в Интернете и в газетах.

Говорят, что они намного эффективнее масляных радиаторов и тепловентиляторов. Меньше потребляют энергии, не сжигают кислород и т.д. Главное – они совершенно не вредные, никакого отрицательного воздействия на организм человека не оказывают. Далее

Это действительно так, хотя звучит невероятно, т.к в процессе замерзания предварительно нагретая вода должна пройти температуру холодной воды. Парадокс известен в мире, как «Эффект Мпембы». Далее

Одна моя знакомая отказывается есть пищу, которую кто-то разогрел в микроволновой печи. Всему виной — страшилки в Интернете. Далее

451 градус по Фаренгейту. Это название знаменитой книги Рэя Брэдбери. На языке оригинала звучит так: ‘Fahrenheit 451: The Temperature at which Book Paper Catches Fire, and Burns’. Действительно ли при этой температуре начинают гореть книги? Далее

При приготовлении сырого мяса, особенно, домашней птицы, рыбы и яиц необходимо помнить, что только нагревание до надлежащей температуры убивают вредные бактерии. Далее

30.11.2011 | Интересные факты о температуре | Количество просмотров: 216733 | Комментарии (52)

Это действительно так, хотя звучит невероятно, т.к в процессе замерзания предварительно нагретая вода должна пройти температуру холодной воды. Между тем, этот эффект широко используется. Например, катки и горки зимой заливают горячей, а не холодной водой. Специалисты советуют автомобилистам заливать зимой в бачок омывателя холодную, а не горячую воду. Парадокс известен в мире, как «Эффект Мпембы». 

Этот феномен упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году на него обратили внимание профессора физики и попытались исследовать. Все началось с того, что танзанийский школьник Эрасто Мпемба заметил, что подслащенное молоко, которое он использовал для приготовления мороженного, застывает быстрее, если оно было предварительно нагрето и выдвинул предположение, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы».

К счастью, однажды в школе побывал Деннис Осборн, профессор физики из университета Дар-эс-Салама. И Мпемба обратился к нему с тем же вопросом. Профессор был настроен менее скептически, сказал, что он не может судить о том, чего никогда не видел, и по возвращении домой попросил сотрудников провести соответствующие эксперименты. Похоже, они подтвердили слова мальчика. Во всяком случае, в 1969 году Осборн рассказал о работе с Мпембой в журнале «англ. 

Physics Education». В том же году Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета опубликовал статью с описанием явления в «англ. American Journal of Physics».

Есть несколько вариантов объяснения этого парадокса:

  • Горячая вода быстрее испаряется, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
  • Наличие снеговой подкладки. Контейнер с горячей водой протаивает под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт с охлаждающей поверхностью. Холодная вода не протаивает под собой снег. При отсутствии снеговой подкладки контейнер с холодной водой должен замерзать быстрее.
  • Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
  • Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде — растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров в холодной воде превращение воды в лед затруднено и возможно даже ее переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру.

Недавно было опубликовано еще одно объяснение. Д-р Джонатан Катц (Jonathan Katz) из Вашингтонского университета исследовал это явление и пришел к выводу, что важную роль в нем играют растворенные в воде вещества, которые при нагревании осаждаются.
Под растворенными веществами д-р Катц подразумевает бикарбонаты кальция и магния, которые содержатся в жесткой воде. Когда воду нагревают, эти вещества осаждаются, вода становится «мягкой». Вода, которая никогда не нагревалась, содержит эти примеси, она «жесткая». По мере ее замерзания и образования кристаллов льда концентрация примесей в воде увеличивается в 50 раз. Из-за этого понижается точка замерзания воды.

Мне это объяснение не кажется убедительным, т.к. не надо забывать, что эффект был обнаружен в опытах с мороженным, а не с  жесткой водой. Скорее всего причины явления теплофизические, а не химические.

Пока однозначного объяснения парадокса Мпембы не получено. Надо сказать, что некоторые ученые не считают этот парадокс заслуживающим внимания. Однако это очень интересно, что простой школьник добился признания физического эффекта и получил популярность из-за своей любознательности и настойчивости.

Добавлено в феврале 2014 г. 

Заметка была написана в 2011 г. С тех пор появились новые исследования эффекта Мпембы и новые попытки его объяснения. Так, в 2012 г. Королевское химическое общество Великобритании объявило международный конкурс на разгадку научной тайны “Эффект Мпембы” с призовым фондом 1000 фунтов. Дедлайн был установлен 30 июля 2012 года. Победителем стал Никола Бреговик из лаборатории университета Загреба. Он опубликовал свой труд, в котором анализировал предыдущие попытки объяснения этого явления и пришел к выводу, что они не убедительны. Предложенная им модель основана на фундаментальных свойствах воды. Желающие могут найти работу по ссылке http://www.rsc.org/mpemba-competition/mpemba-winner.asp

Исследования на этом не завершились. В 2013 г. физики из Сингапура теоретически доказали причину эффекта Мепембы. Работу можно найти по ссылке http://arxiv.org/abs/1310.6514. 

Похожие по тематике статьи на сайте:

451 градус по Фаренгейту, температура возгорания бумаги?

Медицинский инфракрасный термометр – мифы и реальность

Почему звездное небо черное? (фотометрический парадокс)

Загадка красного листа

Почему cверкает молния и гремит гром?

Почему небо голубое?

 

  • Почему так жарко этим летом?
  • Почему звездное небо черное? (фотометрический парадокс)
  • Может ли лед сдвинуть камень?
  • Наш внутренний термостат
  • Любит ли мобильник низкую температуру?
Все статьи раздела «Интересные факты о температуре»>> Все статьи нашего блога >>

Почему горячая вода замерзает быстрее?

У вас наверняка есть холодильник, а может, и два. И вы прекрасно умеете ими пользоваться и даже уверены, что холодильник охлаждает и замораживает все то, что оказывается внутри него. Но вот в этот момент и начинаются странности. Например, выясняется, что ничего он не охлаждает, а лишь отводит тепло. Занимается этим странная субстанция под названием фреон — хладагент, который забирает «лишнее» тепло во время собственного кипения.


Продолжаем давать простые ответы на сложные вопросы. Ранее мы изучили возможность включить фары на скорости света, рассуждали на тему, сработает ли кока-кола против ржавчины, почему птиц и электриков не бьет током, когда они сидят на проводах, что будет, если Луна упадет на Землю, и почему перец острый. На этот раз прозондируем вопрос о том, действительно ли горячая вода замерзает в холодильнике быстрее, чем холодная.


Вначале расскажем, как работает холодильник — это тоже интересно. Тем более что существуют заблуждения, связанные с этим простым процессом. Но при желании вы можете сразу перепрыгнуть к вопросу о заморозке горячей и холодной воды в холодильнике.

  • Знакомство с холодильником
    • Как работает холодильник
    • Процесс охлаждения
  • Вода горячая и холодная
    • Горячая вода замерзает быстрее?
    • Все началось с Мпембы
    • Исследования и теории

Как работает холодильник

В бытовых холодильниках используется хладагент с низкой температурой кипения. Чтобы повысить эффективность фреона, в системе создаются благоприятные для этого условия: давление и полная герметизация (не в самом холодильнике, а в контурах охлаждения). Второй аспект — изоляция охлажденного воздуха внутри. Именно поэтому стенки холодильников такие толстые, а резинки дверец должны плотно примыкать к корпусу. Если дверцу оставить открытой, холодильник почувствует себя кондиционером, но надолго его не хватит. То же произойдет, если через задубевший уплотнитель пробирается тепло извне.

Холодильник рекомендуется не использовать в качестве кондиционера и источника освещения

Если смотреть снаружи, у каждого холодильника есть массивный радиатор на задней стенке (правда, во многих современных моделях он может быть спрятан под «фольгой», есть вариации с размещением змеевика сбоку). Его длина обеспечивает эффективное рассеивание фреоном тепла. Поэтому радиатор представляет собой не бак из металла, а длиннющую изогнутую трубку, которую, в свою очередь, крепят к «перекладинам», создающим дополнительную площадь для отвода тепла. Эту внешнюю «решетку» называют конденсатором.

Но есть еще и внутренняя магистраль — испаритель, обычно спрятанный в стенках холодильной и морозильной камер (есть конструкции с испарителем в полках). Вот он и берет на себя основную работу по забору тепла со стенок (они забирают тепло от воздуха внутри, который ласково окутывает продукты) и расположен ближе к внутренней поверхности холодильных камер. В помощь ему иногда добавляют вентиляторы, гоняющие воздух: это позволяет ускорить процесс охлаждения и не дает образовываться конденсату и льду.

Фото: Boots Kitchen Appliances

Фреон по системе двигает компрессор, в цепи также есть фильтр и дроссель, капиллярная трубка — эдакий «пограничник» между конденсатором и охладителем — узкий проход, где сбрасывается давление.

Процесс охлаждения

Компрессор всасывает фреон из трубки, ведущей от испарителя, а затем выталкивает его под давлением через клапан, тем самым разогревая, в конденсатор. Давление меняется с менее чем 1 атмосферы до 8, температура фреона из-за этого подпрыгивает до 100 градусов по Цельсию (температура зависит от типа фреона).

Да, компрессор закачивает в конденсатор на задней стенке «горячий» газообразный хладагент. Он начинает отдавать тепло наружу — потому змеевик нагревается, а хладагент становится все прохладнее (отдает тепло), попутно конденсируясь. Достигнув температуры ниже точки кипения при высоком давлении, фреон переходит в жидкую фазу, попадает в фильтр, который забирает из него невесть откуда взявшиеся влагу и микрочастицы.

После этого настает черед «дросселя» — чтобы увеличить длину, капиллярную трубку закручивают в спираль. Ее малое сечение необходимо для того, чтобы сбросить давление фреона до уровня меньше 1 атмосферы и дальше снизить его температуру. В новых условиях температура кипения хладагента окажется на уровне минус 23 градусов (меньше давление — ниже температура кипения; температуры могут отличаться в зависимости от марки фреона), и он постепенно закипает, используя для этого процесса «продуктовое» тепло, собираемое с помощью испарителей. Кипение, в свою очередь, обеспечивает процесс охлаждения (кипение = поглощение тепла). По пути хладагент «прогревается» и тогда засасывается в компрессор. Все происходит заново.

Теперь главный вопрос:

Почему горячая вода замерзает быстрее?

Честно говоря, правильно будет поставить вопрос так: действительно ли горячая вода может замерзнуть в холодильнике быстрее? Короткий ответ — да. Но он вырван из контекста, так как, кивая головой утвердительно, нужно добавить: при определенных условиях.

Все началось с Мпембы

Откуда вообще растут ноги? Оказывается, существует так называемый эффект Мпембы, получивший свое название в честь школьника Эрасто Мпембы из Танганьики еще в начале шестидесятых годов прошлого века. Согласно легенде, парень поинтересовался у своего преподавателя по физике о причинах того, почему горячая вода замерзает быстрее. Точнее, его интересовало, почему разогретая смесь мороженого застывает в холодильнике быстрее, чем холодная. Преподаватель тогда усмехнулся и иронично потрепал Эрасто по голове. Знал бы учитель, какую интересную тему поднял его подопечный.

Считается, что впервые на эффект Мпембы (называя его, конечно, иначе) обратили внимание Аристотель и Рене Декарт, современным же ученым предстояло найти феномену объяснение. Этой идеей они заразились благодаря Мпембе — или, точнее, физику Деннису Осборну, который оказался с выездной лекцией в школе, где учился мальчик. Забавно, однако за все прошедшие десятилетия однозначного ответа так и не появилось — именно из-за наличия условий, при которых горячая вода действительно замерзает быстрее холодной. Поэтому ученые приходят к разным выводам.

Эрасто Мпемба много лет спустя. Фото: Virdex

Исследования и теории

На этот счет проводилось множество исследований. В 2016 году, например, была опубликована работа испанских физиков. По их данным, возникновение эффекта Мпембы возможно в случае, если существует определенная разница в температуре в емкостях с одинаковым объемом холодного и горячего «чего-то», помещенного в одинаковые условия. Более того, более холодная среда нагревается быстрее, чем менее холодная, — это «обратный эффект Мпембы». Но это была математическая модель, и связана она была с теорией сыпучих тел.

В то же время в одном из строго контролируемых экспериментов их коллег вода, нагретая до температур 21,8, 57,3 и 84,7 градуса, остыла за 6397, 9504 и 10 812 секунд соответственно. То есть кипяток не стал спорить с законами термодинамики.

Существует набор теорий, которые объясняют возможность того, что горячая вода застынет быстрее холодной, окажись она в холодильнике. Согласно одной из них, конвекционные потоки в горячей воде более выражены и остаются такими даже по достижении одинаково низкой температуры с холодным образцом воды. Выглядит не очень вероятно.

Может, горячая вода быстрее испаряется, ее объем уменьшается, и потому она застывает быстрее? Вряд ли объем испарений окажется значимым. То же касается варианта, в котором холодная вода в холодильнике быстрее покрывается льдом, тем самым мешая дальнейшему теплообмену: горячая тоже покрывается льдом.

Также звучит предположение, что горячая вода может содержать меньше растворенных газов и различных примесей, что влияет на температуру ее замерзания, однако это опровергается как минимум исследованием, упомянутым выше (с длительностью замерзания в секундах): там все образцы были предварительно нагреты до температуры кипения.

Впрочем, результаты другого исследования все же указывают на возможность изменения состава воды кипячением и, как следствие, изменения температуры ее кристаллизации (в теории). Тогда возможен вариант, при котором горячая вода замерзает раньше. Или нет — это как повезет. Один из авторов исследования, Джеймс Браунридж, дополняет, что вода вообще редко замерзает при 0 градусов — обычно температура ниже. Поэтому вскипяченная вода может опередить некипяченую, будучи горячее последней.

И наконец, самое очевидное: образец воды, нагретый до 90 градусов, ни при каких обстоятельствах не замерзнет быстрее образца с температурой в 10 градусов — разница должна быть «адекватной» (так себе термин).

В целом Браунридж и некоторые другие ученые сходятся во мнении, что учесть все переменные, которые влияют на скорость замерзания холодной и горячей воды, сложно: необходимо учитывать размеры посуды, размещение образцов в холодильной камере, да даже состав воздуха в ней. Поэтому горячее мороженое Мпембы действительно могло замерзать быстрее холодного — как минимум из-за разного состава и термической обработки. А варианты с суперхлажденной водой или странными химическими составами к эффекту имени танганьиканца отношения не имеют.

Читайте также:

  • Откуда взялись «цифровые наркотики», о которых снова вспомнили
  • История человека, спасшего миллионы детей своей кровью, и случайной разработки кардиостимулятора

Холодильник ATLANT ХМ 4626-109 ND

7 отзывов

отдельностоящий, полный No Frost, электронное управление, класс A+, полезный объём: 348 л (254 + 94 л), зона свежести, перенавешиваемые двери, автодоводчик дверей, складная полка, полка для вина, лоток для яиц, 59. 5x66x206.8 см, белый

Купить

Сравнить эти товары →

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by

Действительно ли горячая вода замерзает быстрее, чем холодная? : ScienceAlert

Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная? Кажется очевидным, что ответ должен быть отрицательным, потому что при прочих равных условиях горячая вода остывает дольше, чем холодная, и поэтому она не может замерзнуть быстрее.

Но наблюдения на протяжении тысячелетий, а также бесчисленные современные эксперименты показали, что все наоборот – в тщательно контролируемых условиях горячая вода временами кажется замерзает быстрее, чем холодная.

Как это возможно? Ну, это то, что до сих пор ставит ученых в тупик — на самом деле, они все еще пытаются доказать, что эффект вообще существует, как объясняет первый выпуск нового научного канала Дерека Мюллера, Sciencium.

Оказывается, заморозить воду намного сложнее, чем вы думаете.

Как показано в видео выше, явление замерзания горячей воды быстрее, чем холодной, известно как эффект Мпембы, названный в честь Эрасто Мпембы, танзанийского студента, который в 1963-й делал мороженое в рамках школьного проекта.

Студенты должны были сварить смесь сливок и сахара, дать ей остыть, а затем положить в морозильную камеру.

Беспокоясь о месте в морозильной камере, Мпемба вместо этого положил туда свою смесь, пока она была еще очень горячей. Но через 1,5 часа его смесь застыла, а смеси его одноклассников — нет.

Заинтригованный этим явлением, он начал работать с профессором физики Денисом Осборном, и вместе они смогли воспроизвести результаты и опубликовать статью в 1969 показывает, что теплая вода замерзает быстрее, чем холодная.

Это было первое рецензируемое исследование эффекта, но, как отмечает Дерек в видео выше, наблюдения датируются вплоть до Аристотеля в 4 веке до нашей эры, который во время своих экспериментов заметил, что горячая вода охлаждается быстрее, чем холодная.

Сэр Фрэнсис Бэкон и Декарт также отметили это явление в своих исследованиях.

Но какая физика стоит за этим странным явлением?

Как показано в видео выше, есть пять предложенных механизмов для того, что здесь происходит:

  1. Таяние инея:  Иней является изолятором, поэтому ледяная холодная вода может сохранять тепло лучше, чем теплая мензурка, которая тает иней со стенок.
  2. Растворенные газы: В холодной воде больше растворенных газов, чем в теплой, и исследователи предположили, что это может играть роль в скорости охлаждения, хотя и неясно, как именно.
  3. Переохлаждение:  Все мы знаем, что вода замерзает при температуре ноль градусов по Цельсию, но иногда перед замерзанием она становится намного холоднее — явление, известное как переохлаждение. Это происходит потому, что льду для образования требуется место зарождения, такое как воздушный пузырь или примесь в воде. Так что, возможно, теплая вода меньше переохлаждается, чем холодная.
  4. Испарение:  Стакан с горячей водой теряет больше молекул воды в результате испарения, поэтому меньше воды замерзает.
  5. Конвекция:  Наконец, есть идея, что теплая вода может остывать быстрее из-за усиления конвекционных потоков. Эти течения возникают из-за того, что вода охлаждается в основном с поверхности и стенок стакана, в результате чего холодная вода опускается, а теплая поднимается вверх и занимает ее место. Токи больше в теплых стаканах и могут повлиять на скорость охлаждения.

Во всех этих идеях есть достоинства, но проблема в том, что эксперименты на протяжении многих лет контролировали все эти эффекты, и результаты были досадно противоречивыми.

Некоторым лабораториям не удалось показать, что эффект Мпембы вообще проявляется, в то время как другие показывают, что он проявляется даже в различных условиях.

Так какой же ответ? Что ж, новое исследование, опубликованное в этом году, предполагает, что, возможно, эффект Мпембы вызван чем-то совершенно другим — и он не имеет ничего общего с тем, как быстро остывает горячая вода.

Мы позволим Дереку объяснить вам это в видео выше, и не забудьте подписаться на его новый канал.

Довольно безумно думать, что после тысячелетий наблюдений нам еще так много предстоит узнать о такой элементарной вещи, как замерзание воды. Наука лучше всех.

Инженерная школа Массачусетского технологического института | » Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная?

Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

Это извечный вопрос с простым ответом: нет.

Сара Дженсен

Со времен Аристотеля как исследователи, так и ученые-любители спорят о противоречивой теории о том, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. У этого понятия даже есть название: эффект Мпембы, названный в честь танзанийского школьника, который в 1963 году заметил, что мороженое, приготовленное им и его одноклассниками из теплого молока, замерзает быстрее, чем мороженое из холодного молока.

«Независимо от того, какова начальная температура воды, ее необходимо довести до точки замерзания, прежде чем она изменит свое состояние и превратится в лед», — говорит Пракаш Говиндан, научный сотрудник отдела машиностроения Массачусетского технологического института. На самом деле потребуется больше времени и/или энергии, чтобы заморозить горячую воду, потому что ее температура должна снижаться до тех пор, пока она не достигнет точки замерзания, около 0, ° C.

Говиндан предлагает провести простой эксперимент, чтобы продемонстрировать, что горячая и холодная вода будут вести себя так, как предсказывает логика. «Наполните две одинаковые емкости горячей и холодной водопроводной водой из кухонной раковины и посмотрите, какая из них замерзнет первой», — говорит он. Интересно, отмечает он, скорость изменений в этом эксперименте не будет одинаковой. «Когда вы помещаете их в морозильную камеру, морозильная камера будет работать усерднее, чтобы снизить температуру горячей воды, поэтому изначально скорость теплопередачи в горячей воде будет выше». Однако другой контейнер будет охлаждаться одновременно (хотя и не с такой же скоростью).

Когда температура воды в каждом контейнере достигнет примерно 0 ° C, она претерпит те же изменения, что и переходя из жидкого состояния в твердое, и потребуется такое же количество времени, чтобы начать формироваться крошечные кристаллы льда. . В этот момент каждая смесь жидкости и льда будет иметь одинаковую температуру, и по мере того, как от этих смесей будет отбираться больше тепла, вступает в силу термодинамический принцип скрытой теплоты: вода продолжает переходить в твердое состояние, но больше не изменяется. в температуре. «Пока у вас есть смесь жидкой воды и твердого льда, температура будет оставаться равной 0, пока вся вода не замерзнет», — говорит Говиндан.

Никогда не было убедительно доказано, что горячая и холодная вода ведут себя по-разному на любом этапе процесса замораживания, несмотря на продолжающееся увлечение эффектом Мпембы. В начале 2013 года Королевское химическое общество Европы даже провело конкурс на лучшее объяснение теории. Победитель предположил, что горячая вода действительно замерзает быстрее, если холодную воду предварительно переохладить. Но логика побеждает, когда речь идет об обычной воде из домашнего крана. Скорее всего, на температуру замерзания воды влияет наличие примесей, таких как соль, растворенные твердые вещества и газы, а также ингредиенты домашнего мороженого.

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *