Парадокс Мпембы горячая вода замерзает быстрее холодной

Главная / Наука / Парадокс Мпембы — способность горячей воды замерзать быстрее холодной

Демонстрация эффекта Мпембы

Эффект Мпембы или парадокс Мпембы гласит, что горячая вода (при некоторых условиях) может замерзнуть быстрее, чем холодная. Хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания.

Странная способность горячей воды в определенных условиях замерзать быстрее, чем холодная, известна человечеству с древнейших времен. Этот эффект упоминается еще у Аристотеля, но в современную науку вошел после домашних экспериментов танганьикского школьника Эрасто Мпембы, и под его именем.

Предыстория открытия

В 1963 году ученик средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить мороженое – вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания.

Мпемба промедлил с выполнением первой части задания и поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

Он обратился за объяснением к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником. Эффект заинтересовал мальчика, и он проверил его на обычной воде.

Этот же вопрос Мпемба задал приехавшему в школу Деннису Осборну, профессору физики. Проведенная экспериментальная проверка подтвердила наличие эффекта, но не дала его объяснения. В 1969 году в журнале «Physics Education» вышла совместная статья Мпембы и Осборна, описывающая эффект. Существует несколько вариантов объяснения этого парадокса, но к единому мнению физики еще не пришли.

Эрасто Мпемба и Дэнис Осборн в 2013 году в Лондоне

Воспроизвести результаты, продемонстрированные Мпембой и его соавтором, профессором Деннисом Осборном (Denis Osborne), удается не всегда, однако свидетельств в пользу этого странного эффекта, имеется достаточно много. Но вот объяснения «парадоксу Мпембы» нет до сих пор.

Нагретые водородные связи способствуют образованию структуры льда

Еще в 2012 г. британское Королевское химическое общество объявило конкурс гипотез, объясняющих этот феномен, получив более 22 тыс. статей от ученых всего мира, однако ни одна из них не убедила большинство членов экспертной комиссии. Наиболее популярным объяснением остается испарение: горячая вода испаряется быстрее холодной, поэтому объем ее уменьшается немного быстрее, облегчая замерзание.

Свойства замерзания горячей (красная линия) и холодной (синяя линия) воды

С другой стороны, и этот вариант нельзя назвать окончательным: эффект Мпембы демонстрировался и в условиях, исключавших испарение. Новое объяснение предложили недавно ученые из Китая и США, статью которых опубликовал Journal of Chemical Theory and Computation.

Авторы смоделировали поведение короткоживущих кластеров молекул воды, объединенных водородными связями, при разных температурах. Водородные связи намного (примерно в 18-20 раз) слабее обычных ковалентных химических взаимодействий, однако сила их зависит от геометрии взаимного расположения молекул, между которыми эти связи образуются.

По мере нагревания водородные связи ослабевают и, как показало моделирование, молекулы воды в кластерах меняют положение, занимая такие позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда. В холодной воде все происходит так же, только энергии на разрыв водородных связей требуется больше – и замерзание, соответственно, должно проходить медленнее.

Почему горячая вода замерзает быстрее? Эффект Мпембы | Мир вокруг нас

Например, вопрос о том, почему чайник шумит при закипании, приводит, в конце концов, к такой серьезной инженерной проблеме, как кавитация. Уменьшение кавитации, происходящей на винтах судов или на лопатках турбин, повышает срок службы этих устройств и делает их работу эффективной.

С другой стороны, в некоторых случаях кавитацию стараются повысить — например, при ультразвуковой чистке деталей или при разбивании камней в почках. Или при ультразвуковом же растворении жира в теле, что является мечтой едва ли не каждой женщины.

«Детские» вопросы хороши еще тем, что заражают серьезных ученых «вирусом» любопытства. Любопытство — одна из причин, побуждающих их к научной деятельности. Любопытство — фермент, оживляющий бег мысли. Без любопытства господин профессор превращается в бронзовый памятник, с любопытством — бегает непослушным мальчишкой, смеется и щупает то, что, казалось бы, трогать руками строго запрещено. Иногда такое поведение может привести к открытию, иногда — нет. Но всегда прививка любопытства ужасно приятна господину профессору.

Это событие произошло давным-давно, в 1963 году, в далекой африканской стране Танганьике, которая через год объединилась с Занзибаром и стала называться Танзанией. Школьник Эрасто Мпемба выполнял задание по кулинарии (были в их школе такие уроки). Надо было приготовить молочное мороженое: смешать на огне молоко, воду и сахар, остудить и поставить в холодильник, чтобы получить ледышку. Один из стаканчиков с приготовленной смесью Мпемба поставил в холодильник, не охладив как следует. К его удивлению, именно этот стаканчик замерз и превратился в мороженое первым.
Заливать каток лучше горячей водой, быстрее застынет
Фото: Depositphotos

Горячая жидкость остыла быстрее холодной? Это кажется невероятным! Строго говоря, это нарушение фундаментального закона термодинамики за номером 1!

Не удивительно, что учитель физики, которому Эрасто рассказал о своем парадоксальном эксперименте, поднял его на смех. Но школьник был упрям и памятлив. Когда в их школу пригласили из столичного университета профессора физики Дениса Осборна (Denis G. Osborne), чтобы он прочитал лекцию школьникам, мальчик рассказал новому преподавателю о своем нетривиальном эксперименте.

Осборну самому стало любопытно. Вернувшись в университет, он поставил несколько экспериментов и обнаружил, что Эрасто Мпемба прав: горячая вода замерзала быстрее холодной. Результаты своих исследований он опубликовал в 1969 году. Автором статьи был также Эрасто Мпемба, который тогда уже учился в одном из местных колледжей.

В жаркой Африке никто не заливал зимой дворовых катков для юных конькобежцев и хоккеистов. Потому и не знали здесь о маленькой хитрости, известной в далекой России: каток надо заливать горячей водой — быстрее застынет. Еще одно проявление «эффекта Мпембы»!

Так танзанийский школьник стал известен еще до того, как закончил школу. Ученые же физики продолжали исследовать странное поведение горячей воды при нагревании. И продолжают. Дело в том, что до сих пор нет объяснения эффекта Мпембы, которое удовлетворило бы всех ученых.

Простая на вид задача оказалась недостаточно четко сформулированной. Во-первых, что такое «точка замерзания воды»? Во-вторых, можно ли сказать, что холодная и горячая вода отличаются только начальной температурой? Может быть, есть и другие физические отличия, которые коррелируют с температурой воды и как раз и определяют, какая из жидкостей, горячая или холодная, застынет быстрее?

В общем, сейчас существует несколько объяснений странного поведения нагретой воды при замерзании:

1. Горячая вода испаряется интенсивнее, чем холодная. Испаряющаяся вода в холодном воздухе превращается в мелкие кристаллики льда, которые падают в сосуд с водой и по мере охлаждения воды становятся зародышами будущих льдинок.

2. Или же испарение горячей воды уменьшает общий объем воды в сосуде. Меньшее количество воды остывает быстрее.

3. Еще одно объяснение опирается на то, что в горячей воде меньше центров последующей кристаллизации, воздушных пузырьков или пылинок. В результате этого горячая вода при охлаждении некоторое время не замерзает, переохлаждается, а затем застывает очень быстро, почти мгновенно.

4. В горячей воде расстояние между молекулами становится больше, поскольку кинетическая энергия каждой молекулы вырастает.

В результате этого потенциальная энергия связи между двумя молекулами тоже возрастает. При охлаждении воды, когда молекулы сближаются, запасенная энергия высвобождается и выделяется в пространство, вызывая дополнительное охлаждение.

5. И точка зрения прямо противоположная. По мере нагревания связи между молекулами воды ослабевают, и они занимают позиции, более близкие к тем, в которых находятся, когда образуются кристаллы льда. Когда температура воды достигает точки кристаллизации, дополнительной энергии на разрыв прежних связей уже не требуется и лед образуется быстрее. Если же до температуры кристаллизации остывает холодная вода, требуется некоторое время и некоторая энергия для того, чтобы разорвать прежние связи. Горячая вода испаряется интенсивнее, чем холодная, пар быстрее превращается в лёд

Фото: Depositphotos

6. Наконец, есть и такое мнение: эффект Мпембы — псевдоэффект. Если провести эксперимент так, чтобы устранить все посторонние влияния (одинаковые объемы воды, один ее химический и физический состав, одинаковые материалы сосудов, в которых происходит охлаждение, специальный холодильник), то более горячая вода будет застывать позже, чем более холодная. Первое начало термодинамики спасено! Ура!

А что же наиболее интересно в эффекте Мпембы для нас? Да то, что любопытство — движущая сила любого знания. А также то, что не следует стесняться задавать «детские» вопросы, на которые, бывает, и умные ученые не смогут дать однозначного и простого ответа. Поскольку, по словам Эйнштейна, вынесенным в эпиграф, и сами недостаточно четко понимают природу некоторых, казалось бы, простых веществ. Таких, как, например, обычная вода.

Теги: любопытство, эффект Мпембы, замерзание воды

Почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная: физики решили эффект Мпембы | Блог The Physics arXiv | The Physics arXiv Blog

Аристотель впервые заметил, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, но химики всегда пытались объяснить этот парадокс.

До сих пор

Вода может быть одним из самых распространенных соединений на Земле, но она также и одна из самых загадочных. Например, как и большинство жидкостей, она становится более плотной при охлаждении. Но в отличие от них он достигает состояния максимальной плотности при 4°С, а затем становится менее плотным перед тем, как замерзнуть.

В твердом состоянии он еще менее плотный, поэтому стандартный лед плавает на воде. Это одна из причин, почему жизнь на Земле процветала: если бы лед был плотнее воды, озера и океаны замерзали бы снизу вверх, что почти наверняка предотвратило бы химию, которая делает возможной жизнь.

Еще есть странный эффект Мпембы, названный в честь танзанийского студента, который обнаружил, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее, чем холодная, на уроках кулинарии в начале 1960-х годов. (На самом деле этот эффект отмечали многие ученые на протяжении всей истории, включая Аристотеля, Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта.)

Эффект Мпембы заключается в том, что теплая вода замерзает быстрее, чем холодная. Эффект измерялся во многих случаях с выдвижением множества объяснений. Одна из идей заключается в том, что теплые контейнеры обеспечивают лучший тепловой контакт с холодильником и, таким образом, более эффективно проводят тепло. Отсюда более быстрое замораживание. Во-вторых, теплая вода быстро испаряется, и, поскольку это эндотермический процесс, она охлаждает воду, заставляя ее замерзать быстрее.

Ни одно из этих объяснений не является полностью убедительным, поэтому истинное объяснение до сих пор не найдено.

Сегодня Си Чжан из Наньянского технологического университета в Сингапуре и несколько его приятелей предоставили один. Эти ребята говорят, что парадокс Мпембы является результатом уникальных свойств различных связей, удерживающих воду вместе.

Что такого странного в связях в воде? Одна молекула воды состоит из относительно большого атома кислорода, соединенного с двумя меньшими атомами водорода стандартными ковалентными связями.

Но соедините молекулы воды, и водородные связи тоже начнут играть важную роль. Это происходит, когда водород в одной молекуле приближается к кислороду в другой и связывается с ним.

Водородные связи слабее ковалентных, но сильнее сил Ван-дер-Ваальса, которые гекконы используют для лазания по стенам.

Химики давно знают, что они важны. Например, температура кипения воды намного выше, чем у других жидкостей с аналогичными молекулами, потому что водородные связи удерживают ее вместе.

Но в последние годы химики все больше осознают более тонкую роль, которую могут играть водородные связи. Например, молекулы воды внутри узких капилляров образуют цепочки, скрепленные водородными связями. Это играет важную роль в деревьях и растениях, где испарение воды через листовую мембрану эффективно вытягивает цепочку молекул воды вверх от корней.

Теперь Кси и его коллеги говорят, что водородные связи также объясняют эффект Мпембы. Их ключевая идея заключается в том, что водородные связи приводят молекулы воды в тесный контакт, и когда это происходит, естественное отталкивание между молекулами заставляет ковалентные связи O-H растягиваться и накапливать энергию.

Но когда жидкость нагревается, водородные связи растягиваются, и молекулы воды располагаются дальше друг от друга. Это позволяет ковалентным молекулам снова сжиматься и отдавать свою энергию. Важным моментом является то, что этот процесс, при котором ковалентные связи отдают энергию, эквивалентен охлаждению.

По сути, эффект является дополнительным к обычному процессу охлаждения. Поэтому говорят, что теплая вода должна остывать быстрее, чем холодная. Именно это и наблюдается в эффекте Мпембы.

Эти ребята рассчитали величину дополнительного охлаждающего эффекта и показали, что именно он объясняет наблюдаемые различия в экспериментах по измерению разной скорости охлаждения горячей и холодной воды.

Вуаля! Это интересное понимание сложных и загадочных свойств воды, из-за которых химики до сих пор не спят по ночам.

Но хотя идея Си и компании убедительна, это не совсем то теоретическое решение, которое потребуется многим физикам для решения вопроса. Это потому, что новой теории не хватает предсказательной силы — по крайней мере, в этой статье.

Кси и компания должны использовать свою теорию, чтобы предсказать новое свойство воды, которого нет в традиционном представлении о воде. Например, укороченные ковалентные связи могут привести к некоторым измеримым свойствам воды, которых в противном случае не было бы. Открытие и измерение этого свойства было бы coup de grâce , в котором нуждается их теория.

Таким образом, хотя эти ребята, возможно, решили загадку эффекта Мпембы, им, вероятно, придется немного поработать, чтобы убедить всех. Тем не менее, интересные вещи!

Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O Bond Аномальная релаксация Разрешение парадокса Мпембы

Топ 5 публикаций этой недели ?

Скорость света в одном направлении

Данные ДНК свидетельствуют о том, что 300 миллионов китайцев произошли всего от трех предков каменного века

Как квантовая механика возникла на основе новой революционной теории информации

Наука! Вот почему горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная

На прошлой неделе исследователи из Школы электротехники и электронной инженерии Наньянского технологического университета в Сингапуре предложили наиболее правдоподобное объяснение эффекта Мпембы [PDF].

Вы, наверное, уже слышали, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная — это эффект Мпембы. Я помню, когда моя старшая сестра сказала мне это, когда мы были детьми. Я ей тогда не поверил и не верил много лет. Это то, что напоминает бабушкины сказки.

Но давайте проясним одну вещь: на самом деле нет никаких споров о том, что эффект Мпембы существует. Его наблюдали в многочисленных контролируемых экспериментах*. Аристотель впервые отметил его существование, когда более двух тысячелетий назад писал о том, как подледные рыбаки нагревали воду, чтобы она быстрее замерзала. Эффект назван в честь танзанийца Эрасто Мпембы, который, будучи учеником средней школы в 1963 заметил, что горячие смеси для мороженого замерзают быстрее, чем холодные. Его вопрос приглашенному лектору доктору Денису Г. Осборну: «Если вы возьмете два одинаковых контейнера с равным объемом воды, один при 35 ° C (95 ° F), а другой при 100 ° C (212 ° F), и поместите их в морозильник, тот, который начал работать при 100 ° C (212 ° F), замерзает первым. Почему?» сначала высмеивали, но позже Осборн воспроизвел результаты Мпембы и написал с ним в соавторстве статью, объясняющую наблюдения в 1969 году.

*И нет, ваш приятель, который говорит: «Один раз я наполнил лоток для кубиков льда горячей водой, а другой — холодной, и холодная замерзла быстрее», не считается контролируемым экспериментом.

Это совершенно нелогично и, кажется, нарушает основные законы термодинамики. Для ясности: здесь мы говорим о том, что при определенных условиях общее время, необходимое для замерзания объема теплой воды, будет в раз меньше, чем , чем общее время, необходимое для замерзания такого же объема холодной воды, при одинаковой внешней температуре. Это действительно странно. Я имею в виду, что в какой-то момент процесса теплая вода не достигает того же начального состояния, что и холодная вода? И если да, то почему эта холодная вода, которая недавно была горячей, замерзает быстрее, чем вода, которая изначально была холодной? Это заставляет людей чесать затылки или прямо отрицать его существование на протяжении десятилетий.

С тех пор было выдвинуто множество объяснений, чтобы попытаться объяснить это явление, но ни одно из них не было чем-то большим, чем правдоподобно звучащие теории. Вот несколько из них:

Теория: Конвекционные потоки в теплой воде, вызванные большими перепадами температур, заставят ее охлаждаться быстрее, и эти конвекционные потоки продолжаются даже после того, как температура воды упадет до той же температуры, что и более холодная вода, что позволит ей обогнать более холодную. вода в замерзании.*

*Проблема: вода довольно вязкая, и подобные конвекционные потоки не будут продолжаться в течение времени, необходимого для охлаждения воды.

Теория: Горячая вода испаряется. Чем меньше воды остается, тем меньше воды нужно заморозить.**

**Проблема: даже с учетом испарения горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

Теория: Горячая вода создает конвекцию в воздухе внутри морозильной камеры, что повышает эффективность ее охлаждения. ***

***Проблема: Вы можете провести эксперимент с горячими и холодными лотками в одном и том же морозильнике и по-прежнему наблюдать, как теплый лоток замерзает быстрее, чем холодный.

Теория: Холодная вода замерзает слоем сверху, создавая изоляцию и предотвращая очень быстрое охлаждение остальной части.****

****Проблема: горячая вода также образует иней.

Экспериментальные проблемы велики, потому что нужно контролировать так много переменных — помимо начальной температуры, есть также форма морозильной камеры, объем и форма контейнера, изоляционные свойства контейнера, растворенные твердые вещества в воде и т. д. Вплоть до статьи на прошлой неделе наиболее правдоподобная работа была сделана заинтересованным непрофессионалом Джеймсом Браунриджем, который предположил, что нагрев воды изменяет природу ее примесей, что, в свою очередь, изменяет ее точку замерзания (он заметил, что большая часть воды на самом деле переохлаждается выше 0°С). °C и не начинает кристаллизоваться, пока значительно не упадет до этой температуры).

В новой статье утверждается, что на самом деле существует химическое объяснение эффекта, и такое, которое математически соответствует наблюдаемым данным — насколько я знаю, первое объяснение, которое может это сделать.

Молекулы воды состоят из двух молекул водорода, присоединенных к молекуле кислорода преимущественно прочными ковалентными связями. Обычно ковалентные связи размягчаются и удлиняются при нагревании. Но в воде из-за уникальных свойств водородных связей — взаимодействия между атомами водорода в одной молекуле воды и молекулой кислорода в соседней молекуле — происходит обратный эффект. Когда масса воды поглощает энергию, водородные связи растягиваются (заставляя отдельные молекулы воды отдаляться друг от друга), но ковалентные связи внутри каждой молекулы становятся короче и жестче — то же самое происходит, когда вода замерзает.

Итак, на индивидуальном молекулярном уровне нагретая вода больше похожа на замороженную воду, чем исходная более холодная вода.