GISMETEO: Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Ответ на вопрос найден — События

15 янв, 11:43, 2017

1. События

Если в морозную погоду плеснуть из емкости холодную воду, она просто брызгами упадет на землю. Кипящая вода же превратится в снежный пар. Этот факт известен со времен Аристотеля, но объяснения феномену до последнего момента не было.

© kaiskynet | Shutterstock

В 2012 году Королевское химическое общество Великобритании даже провело соревнование, чтобы посмотреть, смогут ли ученые разгадать тайну эффекта Мпембы (названного в честь Эрасто Мпембы, танзанского школьника, который в 1960-х гг. заморозил кипящее молоко, чтобы приготовить мороженое быстрее своих друзей). На конкурс было подано более 22 тысяч заявок, но объяснения явлению так и не поступило.

Исследование, опубликованное в журнале «Химическая теория и вычисления», однако, объясняет феномен на молекулярном уровне. Вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Ученые предполагают, что водородные связи, сформированные между атомами водорода и кислорода соседних молекул воды, — ключ к разгадке эффекта Мпембы. В холодной воде есть и сильные, и слабые водородные связи, в то время как горячая вода в основном состоит только из сильных водородных связей, так как слабые связи распадаются в процессе нагревания.

Распавшиеся молекулы образуют «шестиугольную решетку твердого льда», и это ключ к разгадке эффекта Мпембы. В холодной воде водородные связи должны распасться, чтобы начался процесс заморозки. Но если связи уже распались в горячей воде, лед образуется быстрее, так как структуры, необходимые для этого, уже существуют.

Впрочем, ряд ученых полагает, что данный эффект «работает» далеко не всегда: на то, какая вода замерзнет быстрее, в значительной степени влияет среда, то есть условия проведения эксперимента.

Больше интересного в «Телеграме» Читайте нас в «Дзене»

Читайте также

Знаете ли вы о «космическом загаре»?

Когда человек думает, что принимает солнечные ванны, на него в действительности воздействуют не только солнечные, но и далекие космические лучи.

День летнего солнцестояния — начало астрономического лета в Северном полушарии

На небе «горбатая Луна». Что это такое?

В Москве отменили воздушную часть Парада Победы

Определены самые длинные морской и пеший маршруты — оба проходят через Россию

9 мест из мифов, которые существуют на самом деле

Полярное сияние и радужные облака: фото

Во время полнолуния 17 января фотограф Никлас Хьорт запечатлел сразу несколько небесных явлений.

Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная?

Общие знания

11.06.2022

957 1 минута чтения

Это один из великих парадоксов науки: горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Но почему так происходит? Реальность такова, что научное сообщество все еще бьется над тем, чтобы попытаться объяснить это.

Идея о том, что горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная, кажется совершенно нелогичной. Тем не менее это явление наблюдалось много раз. Поэтому можно с полным основанием спросить, каковы физические принципы, которые приводят к такому результату.

Прежде всего, вы должны знать, что у этого странного явления есть название. Ученые называют его эффектом Мпембы, в честь танзанийского студента, который сообщил, что испытал его в 1960-х годах. Однако еще в трудах Аристотеля есть свидетельства того, что горячая вода замерзает быстрее холодной — по всей видимости, с явным нарушением законов термодинамики. Однако ученые, заинтересовавшиеся этим явлением, сталкиваются с трудностями при создании экспериментальных условий, позволяющих запустить это явление. И поэтому трудно изучать его серьезно.

Некоторые отмечают, что утверждение — «горячая вода замерзает быстрее холодной» — достаточно расплывчато, чтобы дать повод для самых разных фантазий. Действительно, в зависимости от количества энергии, затрачиваемой на охлаждение воды ниже точки ее застывания, можно легко прийти к выводу, что эффект Мпембы реален.

Однако в гипотезах, объясняющих это странное явление, недостатка нет. Простейшим из них было бы то, что испарение, которому подвергается объем горячей воды, является причиной уменьшения массы этой воды по сравнению с массой холодной воды. Этого было бы достаточно, чтобы обмануть его мир. Также было исследовано переохлаждение. Это явление позволяет воде оставаться жидкой при температуре ниже 0 °C. Поскольку горячая вода менее чувствительна к нему, может показаться, что она замерзает быстрее, чем холодная.

В 2012 году Королевское химическое общество (Великобритания) объявило конкурс, приглашая исследователей серьезно взглянуть на эту проблему. Победитель конкурса, хорватский аспирант, пришел к выводу, что конвекция является наиболее правдоподобным объяснением эффекта Мпембы. Поместите емкость с горячей водой в холодную среду, и действительно возникнут движения, которые перенесут тепло путем конвекции и позволят воде быстрее остыть. На самом деле, все эксперименты показывают, что этот эффект сходит на нет, если воду регулярно перемешивать в процессе охлаждения, прерывая конвекционные движения.

Однако тайна до сих пор кажется не до конца раскрытой. Ученые продолжают выдвигать гипотезы, порой несколько экзотические. А другие даже предполагают, что эффекта Мпембы вообще не существует.

Подпишитесь на нас:Дзен.Новости / Вконтакте / Telegram

Back to top button

Горячая вода действительно может замерзнуть быстрее, чем холодная

Наука

Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная?

Адам Манн

The Voorhes / Gallery Stock

9 июля 2022 г.

Эта статья была первоначально опубликована в Quanta.

Это звучит как один из самых простых экспериментов: возьмите две чашки воды: одну горячую, одну холодную. Поместите оба в морозильник и обратите внимание, какой из них замерзнет первым. Здравый смысл подсказывает, что чем холоднее будет вода. Но такие светила, как Аристотель, Рене Декарт и сэр Фрэнсис Бэкон, заметили, что горячая вода на самом деле может остывать быстрее. Точно так же сантехники сообщают, что трубы с горячей водой лопаются при минусовой погоде, а трубы с холодной водой остаются целыми. Тем не менее уже более полувека физики спорят о том, действительно ли происходит что-то подобное.

Современным термином для обозначения горячей воды, замерзающей быстрее, чем холодной, является эффект Мпембы, названный в честь Эрасто Мпембы, танзанийского подростка, который вместе с физиком Денисом Осборном провел первые систематические научные исследования этого явления в 1960-х годах. Хотя они смогли наблюдать эффект, последующие эксперименты не смогли последовательно воспроизвести этот результат. На точность экспериментов по исследованию замораживания может влиять множество тонких деталей, и у исследователей часто возникают проблемы с определением того, учли ли они все смешанные переменные.

За последние несколько лет, пока продолжаются споры о том, возникает ли эффект Мпембы в воде, это явление было замечено и в других веществах — полимерах, льдоподобных твердых телах, называемых клатратными гидратами, и манганитовых минералах, охлаждающихся в магнитном поле. Эти новые направления помогают исследователям заглянуть в сложную динамику систем, находящихся вне термодинамического равновесия. Группа физиков, моделирующих неравновесные системы, предсказала, что эффект Мпембы должен проявляться в самых разных материалах (наряду с его обратным эффектом, когда холодное вещество нагревается быстрее, чем теплое). Недавние эксперименты, кажется, подтверждают эти идеи.

Однако самое знакомое вещество, вода, оказалось самым скользким.

«Стакан воды, застрявший в морозильной камере, кажется простым делом», — говорит Джон Беххофер, физик из Университета Саймона Фрейзера в Канаде, чьи недавние эксперименты являются одними из самых достоверных наблюдений эффекта Мпембы на сегодняшний день. «Но на самом деле это не так просто, как только вы начинаете думать об этом».

---

«Меня зовут Эрасто Б. Мпемба, и я собираюсь рассказать вам о своем открытии, которое произошло благодаря неправильному использованию холодильника». Так начинается 1969 в журнале Physics Education , в которой Мпемба описал случай в средней школе Магамба в Танзании, когда он и его одноклассники готовили мороженое.

В холодильнике учеников было мало места, и в спешке, чтобы схватить последний доступный лоток для льда, Мпемба решил не ждать, пока его смесь из кипяченого молока и сахара остынет до комнатной температуры. Через полтора часа его смесь превратилась в мороженое, а смесь одноклассника, который тоже в спешке пропустил варку и поставил свою молочно-сахарную смесь комнатной температуры прямо в холодильник, так и осталась замороженной. густая жидкая кашица. Когда Мпемба спросил своего учителя физики, почему это произошло, ему ответили: «Вы запутались, этого не может быть».

Позже Осборн пришел на урок физики в старшей школе Мпембы. Он вспомнил, как подросток поднял руку и спросил: «Если вы возьмете два стакана с равным объемом воды, один при температуре 35 ° C, а другой при 100 ° C, и поместите их в холодильник, то тот, который начал при 100 ° C замерзает первым. Почему?» Заинтригованный, Осборн поручил одному из своих техников из университетского колледжа в Дар-эс-Саламе проверить это наблюдение и нашел доказательства эффекта, носящего имя Мпембы. Тем не менее, Осборн пришел к выводу, что тесты были грубыми и потребуются более сложные эксперименты, чтобы выяснить, что может происходить.

На протяжении десятилетий ученые предлагали множество теоретических объяснений эффекта Мпембы. Вода — странное вещество, менее плотное в твердом состоянии, чем в жидком, и с твердой и жидкой фазами, которые могут сосуществовать при одной и той же температуре. Некоторые предполагают, что нагрев воды может разрушить рыхлую сеть слабых полярных водородных связей между молекулами воды в образце, увеличивая его беспорядок, что затем снижает количество энергии, необходимой для охлаждения образца. Более приземленное объяснение заключается в том, что горячая вода испаряется быстрее, чем холодная, что уменьшает ее объем и, следовательно, время, необходимое для замерзания. Или, возможно, в игру вступают внешние факторы: слой инея в морозильной камере может действовать как изолятор, препятствуя утечке тепла из холодной чашки, тогда как горячая чашка растопит иней и остынет быстрее.

Все эти объяснения предполагают, что эффект реален — что горячая вода действительно замерзает быстрее, чем холодная. Но не все убеждены.

В 2016 году физик Генри Берридж из Имперского колледжа Лондона и математик Пол Линден из Кембриджского университета провели эксперимент, который показал, насколько чувствителен эффект к особенностям измерения. Барридж и Линден измерили, сколько времени требуется воде, чтобы достичь нуля градусов по Цельсию, и обнаружили, что показания зависят от того, куда они поместили термометр. Если бы они сравнили температуры между горячими и холодными чашками на одной высоте, эффект Мпембы не проявился. Но если бы измерения были ошибочными даже на сантиметр, они могли бы дать ложные доказательства эффекта Мпембы. Изучая литературу, Берридж и Линден обнаружили, что только Мпемба и Осборн в своем классическом исследовании видели слишком выраженный эффект Мпембы, чтобы его можно было приписать такому виду ошибки измерения.

Результаты «подчеркивают, насколько чувствительны эти эксперименты, даже если вы не включаете процесс замораживания», — говорит Берридж.

---

Тем не менее, многие исследователи считают, что эффект Мпембы возможен, по крайней мере, при определенных условиях. Ведь Аристотель писал в четвертом веке до н.э. что «многие люди, когда хотят быстро охладить воду, начинают с того, что выставляют ее на солнце», польза от чего, по-видимому, была заметна еще до изобретения чувствительных термометров. Точно так же Мпемба школьного возраста мог заметить неуловимую разницу между его замороженным мороженым и суспензией его одноклассников. Тем не менее, открытия Берриджа и Линдена подчеркивают ключевую причину, по которой эффект Мпембы, реальный или нет, может быть так трудно определить: температура меняется в чашке с быстро остывающей водой, потому что вода не находится в равновесии, а физики очень мало понимают в этом вопросе. неравновесные системы.

В состоянии равновесия жидкость в бутылке может быть описана уравнением с тремя параметрами: ее температура, объем и число молекул. Засунь эту бутылку в морозилку, и все ставки сняты. Частицы на внешнем краю будут погружены в ледяную среду, а те, что глубже, останутся теплыми. Такие метки, как , температура, и , давление, , больше не являются четко определенными, а вместо этого постоянно колеблются.

Когда Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины в средней школе прочитал об эффекте Мпембы, он пробрался на нефтеперерабатывающий завод в китайской провинции Шаньдун, где работала его мать, и использовал точное лабораторное оборудование для измерения температуры как функции времени в образец воды (в итоге он переохладил воду, не замерзнув). Позже, изучая неравновесную термодинамику в качестве аспиранта, он попытался переформулировать свой подход к эффекту Мпембы. «Существует ли какое-либо термодинамическое правило, которое запрещает следующее: что-то, начиная дальше от конечного равновесия, приближается к равновесию быстрее, чем что-то, начиная с близкого?» он спросил.

Лу познакомился с Ореном Разом, который сейчас изучает неравновесную статистическую механику в Научном институте Вейцмана в Израиле, и они начали разработку основы для исследования эффекта Мпембы в целом, а не только в воде. Их статья 2017 года в Proceedings of the National Academy of Sciences смоделировала случайную динамику частиц, показав, что в принципе существуют неравновесные условия, при которых может возникнуть эффект Мпембы и его обратный эффект. Абстрактные результаты показали, что компоненты более горячей системы, благодаря большей энергии, способны исследовать больше возможных конфигураций и, следовательно, обнаруживать состояния, которые действуют как своего рода обход, позволяя горячей системе догнать более холодную, поскольку оба падают. к более холодному конечному состоянию.

«У всех нас есть наивное представление о том, что температура должна изменяться монотонно, — говорит Раз. «Вы начинаете с высокой температуры, затем средней температуры и переходите к низкой температуре». Но для чего-то, выведенного из равновесия, «не совсем верно говорить, что система имеет температуру», и «поскольку это так, у вас могут быть странные короткие пути».

Наводящая на размышления работа привлекла внимание других, в том числе испанской группы, которая начала моделировать так называемые гранулированные жидкости — наборы твердых частиц, которые могут течь подобно жидкостям, например, песок или семена, — и показала, что они тоже может иметь мпемба-подобные эффекты. Статистический физик Мария Вучеля из Университета Вирджинии начала задаваться вопросом, насколько распространенным может быть это явление. «Это похоже на иголку в стоге сена или может быть полезно для оптимальных протоколов нагрева или охлаждения?» спросила она. В 2019 годуВ исследовании она, Раз и два соавтора обнаружили, что эффект Мпембы может проявляться в значительной части неупорядоченных материалов. Хотя вода не является такой системой, результаты исследования охватывают широкий спектр возможных материалов.

Чтобы выяснить, имеют ли эти теоретические догадки какое-либо реальное основание, Раз и Лу обратились к Беххоферу, экспериментатору. «Буквально, они схватили меня после выступления и сказали: «Эй, у нас есть кое-что, о чем мы хотим, чтобы вы услышали», — вспоминает Беххофер.

---

Экспериментальная установка, которую придумали Беххофер и его соавтор Авинаш Кумар, предлагает очень концептуальный, упрощенный взгляд на совокупность частиц, находящихся под влиянием различных сил. Микроскопическая стеклянная бусинка, представляющая частицу, помещена в W-образный «энергетический ландшафт», созданный с помощью лазеров. Более глубокая из двух долин в этом ландшафте является стабильным местом отдыха. Более мелкая долина — это «метастабильное» состояние: частица может упасть в нее, но в конечном итоге может попасть в более глубокую яму. Ученые погрузили этот пейзаж в воду и с помощью оптического пинцета поместили в него стеклянную бусинку 1000 раз; в совокупности испытания эквивалентны системе с 1000 частицами.

Первоначально «горячей» системой была система, в которой стеклянную бусину можно было разместить где угодно, поскольку более горячие системы обладают большей энергией и, следовательно, могут исследовать больше ландшафта. В «теплой» системе стартовая позиция была ограничена меньшей площадью вблизи долин. В процессе охлаждения стеклянная бусинка сначала оседала в одном из двух углублений, а затем в течение более длительного времени прыгала туда-сюда между ними, ударяясь о молекулы воды. Охлаждение считалось завершенным, когда стеклянные шарики стабилизировались и проводили определенное время в каждой лунке, например, 20 процентов своего времени в метастабильной и 80 процентов в стабильной. (Эти соотношения зависели от начальной температуры воды и размеров долин.)

При определенных начальных условиях горячей системе потребовалось больше времени, чтобы прийти в окончательную конфигурацию, чем теплой системе, что соответствовало нашей интуиции. Но иногда частицы в горячей системе быстрее оседали в колодцах. Когда экспериментальные параметры были настроены правильно, частицы горячей системы почти сразу же нашли свою окончательную конфигурацию, охлаждаясь экспоненциально быстрее, чем теплая система — ситуация, которую Раз, Вучеля и их коллеги предсказали и назвали «сильным эффектом Мпембы». Они сообщили о результатах в 2020 Nature и опубликовал аналогичные эксперименты, показывающие обратный эффект Мпембы в PNAS ранее в этом году.

«Результаты ясны», — говорит Рауль Рика Аларкон из Гранадского университета в Испании, который работает над независимыми экспериментами, связанными с эффектом Мпембы. «Они показывают, что система, которая находится дальше от цели, может достичь этой цели быстрее, чем другая, которая находится ближе к цели».

Однако не все до конца уверены, что эффект Мпембы был продемонстрирован в любой системе. «Я всегда читаю эти эксперименты, и они меня не впечатляют, — говорит Берридж. «Я никогда не нахожу четкого физического объяснения, и я чувствую, что это оставляет нас с интересным вопросом о том, существуют ли значимые эффекты, подобные Мпембе».

Испытания Беххофера, по-видимому, дают некоторое представление о том, как эффект Мпембы может возникать в системах с метастабильными состояниями, но является ли это единственным механизмом и как конкретное вещество подвергается такому неравновесному нагреву или охлаждению, неизвестно.

Определение того, происходит ли это явление в воде, остается еще одним открытым вопросом. В апреле Раз и его аспирант Рой Хольцман опубликовали статью, показывающую, что эффект Мпембы может происходить через родственный механизм, который Раз ранее описал с Лу в системах, которые претерпевают фазовый переход второго рода, а это означает, что их твердые и жидкие формы могут не сосуществуют при одной и той же температуре. Вода не является такой системой (у нее есть фазовые переходы первого рода), но Беххёфер описывает работу как постепенно подкрадывающуюся к ответу для воды.

По крайней мере, теоретическая и экспериментальная работа над эффектом Мпембы начала давать физикам доступ к неравновесным системам, которых им иначе не хватало. «Релаксация к равновесию — важный вопрос, для которого, честно говоря, у нас нет хорошей теории», — говорит Раз. Определение того, какие системы могут вести себя странным и нелогичным образом, «дало бы нам гораздо лучшую картину того, как системы расслабляются по направлению к равновесию».

После того, как Мпемба разжег десятилетнюю полемику своими подростковыми допросами, он сам продолжил изучать управление дикой природой, став перед уходом на пенсию главным охотоведом в Министерстве природных ресурсов и туризма Танзании. По словам Кристин Осборн, вдовы Дениса Осборна, Мпемба скончался примерно в 2020 году. Наука продолжает основываться на его настойчивых заявлениях об эффекте, который носит его имя. Осборн, вместе обсуждая результаты их исследований, извлек урок из первоначального скептицизма и отвержения, с которыми столкнулось противоречивое утверждение школьника: «Оно указывает на опасность авторитарной физики».

Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная? | Научный проект

Научный проект

Вы когда-нибудь наполняли лоток для кубиков льда в морозильной камере после того, как использовали последний кубик льда в чашке сока? Вероятно, вы автоматически наливали холодную воду в лоток для кубиков льда, не задаваясь вопросом: «Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?»

Имеет смысл полагать, что холодная вода превратится в лед раньше, чем горячая вода, потому что горячая вода должна сначала остыть, прежде чем она сможет замерзнуть; но как узнать, верна ли эта идея? Проверь это теория — непроверенная идея — расскажет вам, действительно ли холодная вода замерзает быстрее, чем горячая.

Скачать проект

Оценка

Третий класс

Влияет ли температура на скорость замерзания воды?

• Морозильник
• 3 миски одинакового размера и формы
• Самоклеящиеся этикетки
• Маркер
• Вода
• Мерный стакан
• Термометр
• Ноутбук
• Карандаш

1. В морозилке достаточно места для трех мисок. Вы должны иметь возможность положить их в морозильную камеру точно в одно и то же время, чтобы потом не перемещать замороженные продукты и напитки.
2. Подумайте, что вы знаете о льде. Какая температура воды перед замерзанием? Вероятно, вы обычно принимаете ванны в теплой воде. Как быстро остывает вода, когда вы находитесь в ванне?
3. Рассмотрев различные температуры воды и льда, сделайте предположение, называемое гипотезой , отвечая на вопрос: горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?
4. Запишите свою гипотезу в тетради, в том числе укажите, как вы думаете, горячая, теплая или холодная вода замерзнет первой, и почему .
5. Используя маркер, напишите Hot на одной из этикеток. Повторите с метками для Теплых и Холодных.
6. Наклейте липкие этикетки на каждую из трех мисок, по одной на каждую миску. Этикетки помогут вам следить за тем, какая чаша поддерживает какую температуру воды.
7. Карандашом нарисуйте три столбца в тетради. Назовите первый столбец «Горячий», второй — «Теплый», а третий — «Холодный».
8. С помощью взрослого нагрейте 1 чашку воды до 100 градусов по Фаренгейту. Вылейте его в горячую миску, стараясь не обжечься.
9. Нагрейте 1 стакан воды до 70 градусов по Фаренгейту и налейте ее в миску с подогревом.
10. Наполните миску для холода водой температурой 40 градусов по Фаренгейту.
11. Немедленно поместите все три миски в морозильную камеру.
12. Запишите начальные температуры в нужных столбцах своей тетради.
13. Открывайте дверцу морозильной камеры каждые 10 минут и измеряйте температуру воды в каждой емкости с помощью термометра. Запишите температуру в тетрадь.
14. Повторяйте шаг 13, пока все три миски не замерзнут.
15. Сравните информацию в каждой из трех колонок вашей записной книжки. Верна ли была ваша гипотеза?

Чаши с горячей и теплой водой замерзнут быстрее, чем чаши с холодной водой.

Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, что известно как Mpemba эффект . Итак, почему возникает эффект Мпембы?

Во-первых, вся вода испаряется , а это означает, что жидкость (вода) «исчезает» и становится паром , или газом. Горячая вода испаряется гораздо быстрее, чем холодная. Это означает, что в миске с горячей водой на самом деле было меньше воды, чем в миске с холодной водой, что способствовало более быстрому замерзанию.

Во-вторых, конвекция (перенос тепла внутри воды при ее движении) играет роль в том, что горячая вода замерзает быстрее, чем чаша с холодной водой. У горячей воды больше конвекционных потоков, чем у холодной, поэтому она остывает гораздо быстрее. Вот почему вода в ванне всегда остывает намного быстрее, чем вам хотелось бы!

Теперь, когда вы знаете о замерзании воды при разных температурах, продолжайте науку, проверяя другие жидкости, такие как молоко или яблочный сок. Замерзнет ли теплое молоко быстрее, чем холодное? Или вообще сменить проект! Молоко замерзает быстрее, чем вода при той же температуре? Суть науки в том, чтобы угадывать, что произойдет, а затем проверять, правы ли вы. Теперь вы знаете, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, поэтому придумайте новый интересующий вас проект. Постоянно меняя свои эксперименты, вы продолжите узнавать новое и станете гением науки!

Заявление об отказе от ответственности и меры предосторожности

Education.com предоставляет идеи проекта научной ярмарки для ознакомления только цели. Education.com не дает никаких гарантий или заявлений относительно идей проекта научной ярмарки и не несет ответственности за любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких Информация. Получая доступ к идеям проекта научной ярмарки, вы отказываетесь и отказаться от любых претензий к Education.com, возникающих в связи с этим. Кроме того, ваш доступ к веб-сайту Education.com и проектным идеям научной ярмарки покрывается Политика конфиденциальности Education.com и Условия использования сайта, включая ограничения об ответственности Education.