Чому гаряча вода замерзає швидше

Короткий зміст

Експеримент у домашніх умовах

Парадокс Мпемби

Основні теорії

Якщо помістити гарячу воду в морозильну камеру, можна спостерігати ефект її прискореного замерзання. Це явище раніше згадувалося Арістотелем, Френсісом Беконом і Рене Декартом.

Помістивши дві ємності з гарячою і холодною водою в морозильну камеру, можна побачити, що гаряча вода замерзне швидше. Підтвердженнями цього факту є, наприклад, те, що на сильному морозі відкриті труби з гарячою водою замерзають швидше, ніж холодні.

Експеримент в домашніх умовах

Для того, щоб перевірити істинність такого явища, ви можете провести вдома елементарний експеримент.

1. Візьміть літр води та дві окремі формочки для льоду.
2. Приблизно половину води вилийте в чайник і закип’ятіть.
3. Заповніть холодну та нагріту воду в формочки та поставте їх в морозильну камеру.
4. Зачекайте годину та ви побачите, яка вода швидше перетворюється в лід.

Парадокс Мпемби

У 1963 році африканський школяр помітив, що гаряча суміш морозива в морозильній камері застигає швидше, ніж холодна. Він не отримав відповіді на це питання від шкільного вчителя фізики, але зміг поставити його професору фізики Деннісу Осборну. Експеримент проведений з водою підтвердив наявність ефекту. В даному випадку дві проби води об’ємом 70 мл з температурою 25 й 90^оС поміщалися в однакових стаканчиках в морозильну камеру побутового холодильника на шматках пінопласту.

Далі Осборн і Мпемба провели ряд експериментів, результати яких були опубліковані в 1969 році журналом Physics Education.

Головні тези статті наведемо нижче.

Оскільки охолодження починається переважно з верхньої поверхні рідини, то швидкість охолодження залежить від температури саме цієї поверхні, а не від середньої температури рідини, а процеси конвекції підтримують цю температуру.

Внаслідок цього швидкість втрати тепла для системи з вищою початковою температурою теж буде вищою, ніж для більш охолодженої системи. Твердження є суперечливим, оскільки перед замерзанням вода повинна пройти проміжні температури, але з урахуванням впливу температурного градієнта, автори допускали, що можна упустити це твердження. Після цього явище стало активно обговорюватися дослідниками та отримало назву «ефект Мпемби».

На малюнку зображена залежність швидкості замерзання від вихідної температури води.

Пояснення ефекту Мпемби

Відповідь на питання про те, чому гаряча вода швидше замерзає, люди шукали півсторіччя. Було опубліковано сотні наукових робіт з цього приводу, але тільки через 54 роки було отримано остаточну відповідь.

У 2013 році Королівське хімічне товариство Великобританії пообіцяло видати премію в 1000 фунтів тому, хто пояснить ефект Мпемби. Кращою відповіддю було есе Нікола Бреговича з Університету Загреба в Хорватії.

Він підсумував основні досліджувані раніше теорії та описав їх.

У 2016 році група вчених опублікувала матеріали досліджень, які заперечували наявність даного феномена. Пояснення самого ефекту грунтувалося на похибці досліджень.

Здавалося б науковий світ повинен заспокоїтися, але не тут то було, і в 2017 році спільне дослідження групи вчених з Китаю та США пояснює явище водневими зв’язками в кластерній структурі води.

Основні теорії

Випаровування води

Частина вчених пояснювали, що нагріта вода швидше випаровується та, відповідно, або замерзає в повітрі та утворює крижану кірку, або просто видаляється з системи. Варто відзначити, що у всіх експериментах, де зважувалася маса води до та після заморозки, максимальна втрата маси сягала не більше 3%. Така несуттєва зміна маси, очевидно, не може викликати значне прискорення заморожування. Ще одна складність даного експерименту лежала в тому, що довести даний момент практично неможливо, оскільки при герметизації ємності з заморожуваною водою зміниться не лише випаровування, а і рух теплових потоків.

Розчинені гази

Розчинність газів у воді падає з підвищенням її температури. Виходячи з цього, частина дослідників допускали, що швидке замерзання води пов’язане з цим фактом. Проведені Томасом дослідження показали, що різниця в температурах замерзання слабо відхиляється від нуля, а Ауербах довів, що концентрація газів у воді не впливає на переохолодження води.

Конверсія посилена градієнтом тепла

Розберемося з тим, що таке конвекція та градієнт тепла. Коли ємність з водою поміщається в морозильну камеру, то рідина на поверхні та біля стінок ємності швидше контактує з холодним навколишнім середовищем і охолоджується. Водночас всередині зразка температура зберігається, внаслідок чого в ємності з’являється різниця температур або температурний градієнт. Він викликає перенесення тепла, причому чим сильніший градієнт, тим краща конвекція. Відповідно, чим вища ця різниця температур, тим активніше буде відбуватися теплообмін, а власне й охолодження.

Водневі зв’язки

У 2017 році було отримано остаточну відповідь на питання про те, чому гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна. Причиною є властивості водневих зв’язків. Ключовий аргумент дослідників полягає в тому, що кількість сильних водневих зв’язків збільшується з підвищенням температури, а існування невеликих міцно пов’язаних кластерів, в свою чергу, сприяє утворенню правильного гексагонального льоду при швидкому охолодженні теплої води. Крім цього, доведений зворотний ефект швидкого нагрівання переохолодженої води.

Про формування льоду та розташування молекули води в його структурі, ми вже писали раніше.

До речі, дослідження тривають :)

Источники

1. Mpemba, E. B., & Osborne, D. G. (1969). Cool? Physics Education, 4(3), 172–175.
2. Nikola Bregović (2012) Mpemba effect from a viewpoint of an experimental physical chemist.
3. Tao, Y., Zou, W., Jia, J., Li, W., & Cremer, D. (2016). Different Ways of Hydrogen Bonding in Water — Why Does Warm Water Freeze Faster than Cold Water? Journal of Chemical Theory and Computation, 13(1), 55–76.

Как горячая вода может замерзнуть быстрее холодной

Иногда горячая вода может замерзнуть быстрее холодной. Новый эксперимент, проведенный с использованием крошечных стеклянных бусин, может помочь объяснить почему, — пишет sciencenews.org со ссылкой на Nature.

Новое исследование показало, что горячий предмет может остывать быстрее, чем холодный. При охлаждении более теплая система достигла низкой температуры за меньшее время, чем более холодная система.

Эксперимент был вдохновлен сообщениями об эффекте Мпемба — парадоксальном наблюдении, что горячая вода иногда замерзает быстрее, чем холодная. Но эксперименты, изучающие это явление, были запутаны из-за сложности устройства воды и процесса замерзания, что затрудняло воспроизведение результатов и заставляло ученых не соглашаться по поводу того, что именно вызывает эффект, как его определить и действительно ли он существует.

Чтобы обойти эти сложности, Авинаш Кумар и Джон Бечхофер из Университета Саймона Фрейзера в Бернаби (Канада) использовали крошечные стеклянные бусины диаметром 1,5 микрометра вместо воды.

«Это первый случай, когда эксперимент может быть заявлен как чистый, идеально контролируемый эксперимент, который демонстрирует этот эффект», — говорит химик-теоретик Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле.

В эксперименте шарик представлял собой эквивалент одной молекулы воды, и измерения были выполнены 1000 раз при заданном наборе условий для получения набора «молекул». Лазер воздействовал на каждую бусину, создавая энергетический ландшафт или потенциал. Тем временем шарик охлаждали на водяной бане. Эффективная «температура» бусинок из объединенных испытаний может быть получена из того, как они пересекают энергетический ландшафт, перемещаясь в ответ на силы, передаваемые лазером.

Чтобы изучить, как система охлаждалась, исследователи отслеживали изменения температуры бусинок во времени.

Изначально они были высокой или умеренной температуры, и исследователи измеряли, сколько времени нужно, чтобы шарики остыли до температуры воды. При определенных условиях шарики, которые вначале были более горячими, охлаждались быстрее, а иногда и экспоненциально быстрее, чем более холодные шарики. В одном случае более горячие шарики охлаждались примерно за две миллисекунды, в то время как более холодные шарики охлаждались в 10 раз дольше.

Может показаться разумным предположить, что более низкая начальная температура обеспечит непреодолимую фору. В простой гонке по термометру горячий объект должен сначала достичь исходной температуры теплого объекта – кажется, что более высокая температура может только увеличить время охлаждения.

Но в некоторых случаях эта простая логика неверна, особенно для систем, которые не находятся в состоянии теплового равновесия (когда все части достигли одинаковой температуры). Для такой системы «ее поведение больше не определяется только температурой», — говорит Беххофер.

Поведение материала слишком сложно, чтобы его можно было описать одним числом. По мере охлаждения шарики не находились в тепловом равновесии, а это означало, что их положения в ландшафте потенциальной энергии не были распределены таким образом, чтобы их можно было описать с помощью одной температуры.

Для таких систем, вместо прямого пути от горячего к холодному, может быть несколько путей к холодности, что позволяет сократить возможные пути. Для бусинок, в зависимости от формы ландшафта, начало с более высокой температуры означало, что им было легче перестроиться в конфигурацию, соответствующую более низкой температуре. Это похоже на то, как турист может быстрее добраться до места назначения, начав дальше, если отправная точка позволяет ему избежать трудного подъема на гору.

Лу и физик Орен Раз ранее предсказывали, что такие короткие пути охлаждения возможны. «Приятно видеть, что это действительно работает, — говорит Раз из Института науки Вейцмана в Реховоте (Израиль). Но, отмечает он, «мы не знаем, сработает ли это в воде или нет».

Сложности с водой могут быть связаны с наличием примесей, испарением и возможностью переохлаждения, когда вода остается жидкой при температуре ниже нормальной температуры замерзания.

Простота исследования — часть его красоты, — заметила физик-теоретик Мария Вучелья из Университета Вирджинии в Шарлоттсвилле. «Это одна из очень простых схем, и она уже достаточно богата, чтобы продемонстрировать этот эффект». Это говорит о том, что эффект Мпембы может выходить за рамки стеклянных бусин или воды. «Я могу предположить, что этот эффект в природе проявляется довольно часто в других местах, просто мы не обращали на него внимания».

[Фото: sciencenews.org]

Правда ли, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, или что холодная вода закипает быстрее, чем горячая?

• Share на Facebook

• Share в Twitter

• Share на Reddit

• Share на LinkedIn

• Поделитесь по электронной почте

A operes hopes

• 40005

  As морозный воздух. Предоставлено: Исмаил Каплан Getty Images

  Этот, казалось бы, простой вопрос продолжает вызывать значительные споры. Такамаса Такахаши, физик из колледжа Св. Норберта в Де Пере, штат Висконсин, пытается дать окончательный ответ:

  «Холодная вода не закипает быстрее, чем горячая. Скорость нагрева жидкости зависит от величины разности температур между жидкостью и окружающей ее средой (например, пламенем на плите). В результате холодная вода будет поглощать тепло быстрее, пока она еще холодная; как только она достигает температуры горячей воды, скорость нагревания замедляется, и отсюда доведение ее до кипения занимает столько же времени, сколько и горячей воды до кипения. Начнем с того, что холодной воде требуется некоторое время, чтобы достичь температуры горячей воды, поэтому очевидно, что холодная вода кипит дольше, чем горячая вода. Здесь может иметь место некоторый психологический эффект: холодная вода начинает кипеть раньше, чем можно было бы ожидать, из-за вышеупомянутая большая скорость поглощения тепла, когда вода холоднее. 0005

  «На первую часть вопроса — «Замерзает ли горячая вода быстрее, чем холодная?» — ответ: «Обычно нет, но возможно при определенных условиях». Для испарения одного грамма воды требуется 540 калорий, тогда как для нагрева одного грамма жидкой воды от 0 градусов Цельсия до 100 градусов С требуется 100 калорий. Когда вода горячее 80 градусов С, скорость охлаждения за счет быстрого испарения очень высокая, потому что каждый испаряющийся грамм забирает из оставшейся воды не менее 540 калорий.Это очень большое количество тепла по сравнению с одной калорией на градус Цельсия, получаемой из каждого грамма воды, которая охлаждается за счет обычной теплопроводности.

  «Все зависит от того, насколько быстро происходит охлаждение, и получается, что горячая вода не замерзнет раньше холодной, а замерзнет раньше теплой. Вода при 100 градусах, например, замерзнет раньше, чем вода теплее 60 градусов C, но не раньше, чем температура воды ниже 60° C. Это явление особенно очевидно, когда площадь поверхности, которая охлаждается за счет быстрого испарения, велика по сравнению с количеством задействованной воды, например, когда вы моете машину горячей водой в холодный зимний день. [Для справки см. Концептуальную физику Пола Г. Хьюитта (HarperCollins, 19).93).]

  «Еще одна ситуация, при которой горячая вода может замерзнуть быстрее, это когда в морозильную камеру помещают кастрюлю с холодной водой и кастрюлю с горячей водой одинаковой массы. Возникает упомянутый выше эффект испарения, а также тепловой контакт с морозильной полкой будет охлаждать нижнюю часть водоема.Если вода достаточно холодная, около четырех градусов С (температура, при которой вода имеет наибольшую плотность), то почти замерзшая вода на дне поднимется до конвекционные потоки будут продолжаться до тех пор, пока температура всей массы воды не достигнет 0 градусов по Цельсию, после чего вся вода окончательно замерзнет. Если вода изначально горячая, охлажденная вода внизу имеет большую плотность, чем горячая вода вверху, поэтому конвекции не будет и нижняя часть начнет замерзать, а верхняя еще теплая.Этот эффект, в сочетании с эффектом испарения, в некоторых случаях может привести к тому, что горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. В этом случае, конечно, морозильная камера усерднее работали в течение данного количество времени, извлекая больше тепла из горячей воды».

  Роберт Эрлих из Университета Джорджа Мейсона в Фэрфаксе, штат Вирджиния, добавляет к некоторым выводам, сделанным Такахаши:

  «Есть два способа, которыми горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная. Книга Джерла Уокера «Летающий цирк физики» (Wiley, 1975)] основывается на том факте, что горячая вода испаряется быстрее, поэтому, если вы начнете с равных масс горячей и холодной воды, скоро будет меньше горячей воды для замерзания, и, следовательно, она догонит холодную воду и замерзнет первой, потому что чем меньше масса, тем короче время замерзания. горячая вода растапливает лед под дном посуды, что приводит к лучшему тепловому контакту при повторном замерзании». �

  Все еще сомневаетесь? Фред В. Декер, метеоролог из Орегонского государственного университета в Корваллисе, предлагает читателям самим решить этот вопрос:

  «Вы можете легко поставить эксперимент, чтобы узнать, что замерзает раньше: вода, изначально горячая, или вода, изначально холодной. Используйте данную настройку на электрической плите и замерьте время между запуском и кипячением для данной кастрюли, содержащей, скажем, один литр воды; сначала начните с воды настолько холодной, насколько позволяет кран, а затем повторите это с самая горячая вода из этого крана. Готов поспорить, что кварта воды, изначально горячей, закипит за гораздо меньшее время, чем кварта воды, изначально холодной.0005

  «Эксперимент с замораживанием выполнить сложнее, потому что в идеале для него требуется проходная холодильная камера с температурой ниже точки замерзания. Возьмите в камеру две бутылки молока объемом в кварту, наполненные водой, одну из горячего крана. а другой — из холодного крана снаружи камеры. Рассчитывайте их до замерзания, и я снова готов поспорить, что изначально более холодная вода замерзнет раньше, чем изначально горячая вода».

  [Мы хотели бы добавить, что, если вы не хотите страдать в морозильной камере, вы можете провести достаточно хорошую версию вышеописанного эксперимента в морозильной камере вашего холодильника; только не проверяйте воду слишком часто — в этом случае она никогда не замерзнет — или слишком редко, и в этом случае вы можете пропустить момент, когда одна емкость замерзнет, ​​а другая — нет. ]

  Декер заключает, что «большая часть фольклора возникла в результате попыток ответить на этот вопрос в условиях, которые не делают «все остальные вещи равными», как в предыдущих экспериментах.

  Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

  Живая наука поддерживается своей аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете нам доверять.

  Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, что известно как эффект Мпембы. (Изображение предоставлено: изображение выпущено в соответствии с лицензией на бесплатную документацию GNU.)

  Определить, может ли горячая вода замерзнуть быстрее, чем холодная, может показаться легкой задачей. Ведь вода замерзает при 0 градусов Цельсия. И не будет ли вода, достаточно горячая, чтобы убить бактерии E. coli (около 120 градусов по Фаренгейту или 50 градусов по Цельсию), пройти более длинный путь, чем более холодная вода на осеннем пляже Новой Англии (около 60 градусов по Фаренгейту или 15 градусов по Цельсию) к холодному будущему. как лед? Хотя логичное предположение, получается, что горячая вода при определенных условиях может замерзнуть раньше, чем более холодная.

  Эта очевидная причуда природы называется «эффектом Мпембы», названным в честь танзанийского старшеклассника Эрасто Мпембы, впервые наблюдавшего его в 1963 году. Эффект Мпембы возникает, когда два водоема с разной окружающей среды и более горячая вода замерзает первой. Наблюдения Мпембы подтвердили догадки некоторых самых почитаемых мыслителей истории, таких как Аристотель, Рене Декарт и Фрэнсис Бэкон, которые также считали, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

  Испарение является самым сильным кандидатом на объяснение эффекта Мпембы. Когда горячая вода, помещенная в открытый сосуд, начинает остывать, общая масса уменьшается, так как часть воды испаряется. С меньшим количеством воды для замораживания процесс может занять меньше времени. Но это не всегда работает, особенно при использовании закрытых емкостей, препятствующих выходу испарившейся воды.

  Испарение может быть не единственной причиной того, что вода может замерзнуть быстрее. В более теплой воде может быть меньше растворенного газа, что может уменьшить ее способность проводить тепло, позволяя ей быстрее остывать. Однако польские физики в 1980-е годы не смогли убедительно продемонстрировать эту связь.

  СВЯЗАННЫЕ ЗАГАДКИ

  Неравномерное распределение температуры в воде также может объяснить эффект Мпембы. Горячая вода поднимается наверх контейнера, прежде чем убежать, вытесняя холодную воду из-под него и создавая «горячий верх». Это движение горячей воды вверх и холодной воды вниз называется конвекционным потоком. Эти потоки являются популярной формой теплопередачи в жидкостях и газах, возникающей в океане, а также в радиаторах, обогревающих холодную комнату. С более холодной водой внизу это неравномерное распределение температуры создает конвекционные потоки, которые ускоряют процесс охлаждения. Даже при наличии большего количества земли, которую нужно покрыть для замерзания, температура более горячей воды может падать быстрее, чем более холодной воды.