Что быстрее замерзнет горячая или холодная вода: Физики открыли усиленную версию эффекта Мпембы с помощью марковской динамики

Физики открыли усиленную версию эффекта Мпембы с помощью марковской динамики

Группа физиков из Израиля и США открыла усиленную версию эффекта Мпембы, благодаря которому горячая вода замерзает быстрее холодной. Для этого ученые смоделировали остывание системы в рамках марковской динамики и нашли особенные точки, в которых остывание горячей системы значительно ускоряется. Кроме того, ученые подтвердили общие соображения на примере модели антиферромагнетика и показали, что используемый метод продолжает работать в термодинамическом пределе. Статья опубликована в Physical Review X.

В 1963 году Эрасто Мпембма, 13-летний школьник из Магабмы (нынешняя Танзания), заметил, что формочки с горячим мороженым в школьном морозильнике застывают быстрее, чем с холодным. Об этом странном эффекте он сообщил профессору Деннису Осборну, которого пригласили в школу прочитать лекцию по физике. Сначала профессор не поверил школьнику, однако поставил эксперимент с замерзающей водой и убедился в существовании эффекта. После этого Мпемба и Осборн опубликовали в журнале Physical Eduction статью с результатами эксперимента, а за описанным эффектом закрепилось название «эффект Мпембы».

К сожалению, из-за сложности эффекта Мпембы физики до сих пор не понимают, за счет чего он возникает. Различные исследовательские группы списывали этот эффект на испарение, переохлаждение, конвекцию, растворенные в жидкости примеси и даже на водородные связи между молекулами воды. Более того, некоторые ученые считают, что эффект Мпембы недостаточно строго сформулирован, чтобы можно было заявлять о его существовании. В частности, в стандартной формулировке этого эффекта не обговаривается, что именно нужно считать моментом замерзания — например, можно ли пренебрегать небольшими объемами пара, образовавшегося в ходе замерзания.

В то же время эффект Мпембы можно рассматривать как типичный пример неравновесного процесса — процесса, в ходе которого термодинамическая система выходит из равновесия. В самом деле, когда мы ставим в холодильник горячую воду, мы резко меняем внешние условия, а потому термодинамическое равновесие в системе не успевает установиться. Поэтому горячая вода может «срезать путь» через область параметров, которая недоступна для квазистатически охлаждающейся холодной воды. В этом контексте эффект Мпембы не ограничивается водой: в принципе, аномальное «срезание пути» также наблюдается в магнитных сплавах, сыпучих газах, полимерах и многих других системах.

Первую теоретическую модель, которая описывает «срезание пути» через область неравновесной эволюции, разработали около двух лет назад американские физики Чжиюэ Лу (Zhiyue Lu) и Орен Раз (Oren Raz). В основе предложенной модели лежала динамика марковских частиц, которая ухватывает эффекты в однородных системах, отклоняющихся от термодинамического равновесия. Грубо говоря, этот подход сопоставляет траекториям частиц некоторые распределения с заданной температурой, а затем следит за «перескакиванием» системы между распределениями. Тем не менее, в модели Лу и Раза возникало несколько важных вопросов, которые исследователи тогда решить не смогли. Во-первых, было не понятно, требуется ли для эффекта Мпембы «тонкая настройка» системы, то есть существование сингулярных точек в пространстве ее параметров. Во-вторых, в оригинальной статье ученые рассматривали не термодинамическую систему, а упрощенный случай системы нескольких тел. Следовательно, необходимо проверить, не ломается ли этот подход в термодинамическом пределе — например, на реальном примере с замерзающей водой.

Группа физиков под руководством Марии Вучеля (Marija Vucelja) развила подход Лу и Раза и подтвердила, что разработанная модель работает для простых термодинамических систем. Более того, ученые обнаружили так называемый сильный эффект Мпембы — значительное усиление эффекта Мпембы около дискретного набора начальных температур горячей системы.

Чтобы понять, почему возникает сильный эффект Мпембы, нужно вспомнить, как марковская динамика описывает эволюцию системы. В этом подходе каждому состоянию (например, состоянию с заданной полной энергией) сопоставляется некоторая вероятность, которая может меняться со временем. Скорость «перескакивания» системы между различными состояниями определяется набором собственных значений, которые можно вытащить из уравнения эволюции. Максимальное из этих собственных значений равно нулю — это отвечает стационарной ситуации, то есть равновесному распределению Больцмана. Следующее по величине собственное значение описывает скорость, с которой система приближается к равновесному распределению. На достаточно больших временах достаточно удерживать только этот вклад, поскольку остальные вклады затухают еще быстрее. Таким образом, распределение вероятностей системы через время t после начала эволюции можно приближенно описать следующей формулой: p(T, t) ≈ π(T_х) + a(T) e^−λt p_λ(T). Здесь T — температура системы, T_х — температура холодильника, π(T) — распределение Больцмана, p_λ(T) — отклонение от равновесного состояния, λ — скорость его затухания, а a(T) — некоторый коэффициент, который зависит от температуры. Очевидно, что a(T_х) = 0, поскольку в изначально равновесной системе никакой динамики нет.

Глядя на эту формулу, легко догадаться, что качественная динамика закодирована в коэффициенте a(T). В самом деле, если a(T) — монотонная функция, то возмущение с более высокой температурой упадет до определенного фиксированного уровня за больший промежуток времени, чем возмущение с более низкой температурой. Если же это не так, и для горячей системы коэффициент больше, чем для холодной, то мы будем наблюдать противоположную ситуацию — эффект Мпембы. Более того, если при температуре горячей системы коэффициент a(T) ≈ 0, то эффект Мпембы будет практически неограниченно усиливаться. Аналогичным образом можно добиться обратного эффекта Мпембы и обратного сильного эффекта Мпембы, при котором сильно переохлажденная система нагревается быстрее, чем менее холодная.

Интересно, что возникновение сильного эффекта Мпембы можно связать с топологическими свойствами системы. Чтобы проиллюстрировать это утверждение, рассмотрим систему с тремя возможными состояниями {p₁, p₂, p₃}. В каждый момент времени эти вероятности положительны, а их сумма равна единице: p₁ + p₂ + p₃ = 1, поэтому множество допустимых точек представляет собой двумерный треугольник, вложенный в трехмерное пространство. В то же время, множество распределений Больцмана при всех возможных температурах формирует в этом пространстве непрерывную кривую. Начальная точка кривой лежит в центре треугольника (при бесконечной температуре вероятности всех состояний равны), а конечная — на одной из осей (при нулевой температуре система сваливается в основное состояние). Наконец, условие a(T) = 0 задает некоторую плоскость, которая пересекает треугольник допустимых вероятностей. При этом положение начальной и конечной точки кривой Больцмана по отношению к плоскости a(T) = 0 определяет, возникает ли сильный эффект Мпембы. Если обе точки лежат по одну сторону от плоскости, то эффект гарантированно возникает: кривая пересекает плоскость в четном числе точек, одна из которых отвечает температуре холодильника (a(T_х) = 0 по определению), а остальные — требуемой температуре горячей системы.

Треугольник допустимых параметров отмечен синим цветом, плоскость a(T) = 0 — зеленым, кривая Больцмана — красным

Israel Klich et al. / Physical Review X, 2019

Поэтому физики заключают, что сильный эффект Мпембы можно вывести из топологических соображений. Более того, из этих же соображений ученые доказывают, что индекс Мпембы — число точек, в которых индекс a(T) = 0, не меняется при небольших отклонениях параметров рассматриваемой системы (например, сдвиге энергетических уровней).

Эти качественные соображения ученые проверили на конкретной системе — модели антиферромагнетика, в которой спины живут на двух параллельных решетках и взаимодействуют только со спинами соседней решетки. С помощью численных расчетов физики подтвердили, что в системе возникает сильный эффект Мпембы, и построили для нее фазовую диаграмму. Более того, исследователи подтвердили, что динамика системы сохраняется в термодинамическом пределе, когда число спинов стремится к бесконечности.

Фазовая диаграмма антиферромагнетика с числом спинов N = 400. В белой области эффекта нет, в синей и зеленой — эффект слабый (прямой или обратный), в остальных областях — сильный (прямой или обратный, к которому может добавиться слабый противоположный эффект)

Israel Klich et al. / Physical Review X, 2019

Авторы статьи отмечают, что их работа пригодится не только для объяснения эффекта Мпембе, но и для ускорения численных расчетов. Дело в том, что алгоритмы Монте-Карло по схеме марковской цепи широко используются для моделирования процессов из самых разных областей. Например, с помощью таких алгоритмов можно рассмотреть конвективные ячейки на поверхности стареющей звезды, смоделировать эволюцию нейтронных звезд или галактик. Чтобы получить в рамках этого метода точный результат, нужно смоделировать много гипотетических конфигураций, поэтому ученые стараются как можно сильнее ускорить сходимость алгоритма. Открытие сильного эффекта Мпембе теоретически может повысить эту скорость.

Когда термодинамическая система выходит из равновесия, большая часть теоретических приближений перестает работать, и предсказать дальнейшую эволюцию системы становится очень сложно — особенно для настоящих систем, которые встречаются в реальной жизни. Поэтому физики разрабатывают новые методы, которые специально заточены под моделирование неравновесных процессов. Например, в октябре 2018 года американские физики придумали гибридный алгоритм, который совмещает работу классического и квантового компьютера и позволяет численно моделировать неравновесные процессы в квантовых системах. В декабре исследователи из Кембриджа и Сколтеха предложили моделировать систему спинов с помощью неравновесного конденсата когерентных центров, на который наложено резонансное воздействие. В качестве примера ученые рассмотрели модели Изинга или Поттса. А в апреле этого года группа физиков под руководством Михаила Лукина с помощью 51-кубитного квантового компьютера смоделировала квантовый фазовый переход в сильно коррелированной системе.

Дмитрий Трунин

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.

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]

Эффект Мпембы или почему горячая вода замерзает быстрее холодной?

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.

В 1960-х годах танзанийский школьник Эрасто Мпемба заморозил кипящее молоко, чтобы приготовить мороженое быстрее своих друзей. В честь него и был назван этот эффект более быстрого замерзания горячей воды.

Королевское химическое общество Великобритании даже провело в 2012 году соревнование, чтобы посмотреть, смогут ли ученые разгадать тайну эффекта Мпембы. Более 22 тыс. заявок было подано на конкурс, но объяснения явлению так и не поступило.

Позднее было опубликовано исследование в журнале «Химическая теория и вычисления», которое объясняло феномен на молекулярном уровне. Вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. И в холодной воде наблюдаются не только ковалентные связи, но и менее сильные водородные связи между атомами водорода и кислорода соседних молекул воды. Они более слабые, но их достаточно много. Ученые предполагают, что водородные связи — это и есть ключ к разгадке эффекта Мпембы.

В то же время горячая вода в основном состоит только из сильных ковалентных связей, так как слабые связи распадаются в процессе нагревания.

Ковалентные связи и водородные связи в молекуле воды

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.

А вот небольшое видео, демонстрирующее эффект Мпембы в Челябинске, когда вода замерзает на лету https://youtu.be/Q0yQd_ubzlk

Эксперимент показал, действительно ли горячая вода остывает быстрее холодной

Горячее вещество может остывать быстрее, чем теплое, выяснило новое исследование. В некоторых случаях ускорение бывает даже экспоненциальным.

Исследование опубликовано в Nature, кратко о нем сообщает Science News.

Эксперимент был вдохновлен парадоксом Мпембы — противоречащему здравому смыслу наблюдении, что горячая вода иногда замерзает быстрее, чем холодная. Однако экспериментально изучить это явление было непросто из-за сложных свойств воды и особенностей процесса ее замерзания. Авинаш Кумар и Джон Беххефер из Университета Саймона Фрейзера в Бернаби, Канада, придумали, как обойти трудности. Вместо воды они использовали крошечные стеклянные бусины диаметром 1,5 микрометра, а также изучали эффект Мпембы на примере процесса охлаждения, а не замораживания, который считается более сложным. «Это был первый случай, когда  получился чистый, идеально контролируемый эксперимент, который демонстрирует этот эффект», — отмечает химик-теоретик Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле.

В эксперименте шарик представлял собой эквивалент одной молекулы воды, а измерения проводились 1000 раз при заданном наборе условий для получения набора «молекул». Лазер воздействовал на каждую бусинку, создавая энергетический ландшафт (потенциал), а шарик тем временем охлаждался в ванне с водой. 

Чтобы изучить, как система охлаждается, исследователи отслеживали движение шариков во времени. Бусины изначально имели высокую или умеренную температуру, а ученые измеряли, сколько времени требуется, чтобы бусины остыли до температуры воды. При определенных условиях шарики, которые изначально были более горячими, охлаждались быстрее, а иногда даже экспоненциально быстрее, чем изначально более холодные шарики. В одном случае более горячие шарики охлаждались примерно за две миллисекунды, в то время как охлаждение шариков с более низкой начальной температурой заняло в 10 раз больше времени.

Принято считать, что более низкая начальная температура обеспечит непреодолимую фору в деле охлаждения. Но в некоторых случаях эта простая логика неверна — в частности, для систем, которые не находятся в состоянии теплового равновесия. Для таких систем вместо прямого пути от горячего к холодному может быть несколько вариантов. Это похоже на то, как путешественник может быстрее добраться до места назначения, начав дальше, если отправная точка позволяет ему избежать трудного подъема через гору.

Ранее ученые нашли самый быстрый способ нагрева материала: сперва его нужно охладить.

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной | С другого угла

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной

Холодная погода характерна для большей части нашей страны. Кроме катания на лыжах в это время можно проводить некоторые эксперименты с водой. Например, бросать в воздух горячую воду, делая тем самым снег. Этот эффектный трюк основан на интересном факте, известном ещё со времён Аристотеля.

Описывается он просто — горячая вода замерзает быстрее холодной. Данное свойство получило название эффекта Мпембы. Танзанийский школьник обнаружил это явление в 1963 году. Так почему же горячая вода замерзает быстрее холодной?

Эксперименты с мороженым

Эрасто Мпемба и другие дети в его школе часто делали мороженое, используя школьную морозильную камеру. Процесс был таков: они кипятили молоко и смешивали его с сахаром. После чего эту смесь помещали в морозилку. И однажды Мпемба поспешил и положил получившуюся субстанцию охлаждаться в разгоряченном состоянии.

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной

Получилось так, что его мороженое получилось быстрее, чем у одноклассника. Но школьнику мало кто поверил, и в 1969 году Мпемба вместе с профессором физики опубликовали статью по этому поводу. Данный эффект наблюдается не всегда, поэтому если вы попытаетесь повторить его дома, далеко не факт, что это произойдёт. Вероятно, на это есть несколько причин.

Версии объяснения данного эффекта

Обнаружение эффекта Мпембы не позволило с абсолютной точностью объяснить данное явление. Полностью понять этот процесс пока не получилось, но научных споров ведётся много. И существует несколько версий объяснения эффекта Мпембы.

Наиболее часто выдвигаемая гипотеза — горячая вода испаряется из-за потери массы. В результате жидкость замерзает, теряя меньше тепла. Однако были случаи, когда эффект Мпембы наблюдался и в закрытых контейнерах, где испарения не было.

Другое предположение состоит в том, что вода развивает конвекционные потоки и температурные градиенты по мере ее охлаждения. Быстро остывающий стакан с горячей водой будет иметь большие перепады температур и быстрее отводить тепло от поверхности. В то время как равномерно охлаждённый стакан воды имеет меньшую разницу температур. Также получается меньше конвекции, ускоряющей процесс.

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной

Существуют также и другие теории. Например, согласно одной из них все дело во влиянии растворенных газов в воде на процесс замораживания. В 2013 году группа исследователей из Сингапура предложила свою версию объяснения эффекта Мпембы. По их словам, разгадка кроется в уникальных свойствах химических связей в воде.

Как известно, стандартная молекула воды содержит один атом кислорода и два атома водорода. Они соединены ковалентными связями. Но когда происходит соединение нескольких молекул, атомы водорода также образуют связи с атомами кислорода в других молекулах. Эти водородные связи придают воде некоторые ее свойства, такие как относительно высокая температура кипения и уменьшенная плотность при заморозке.

Исследователи считают, что во время кипения воды молекулы растекаются, удлиняя водородные связи. Но из-за ограниченного объема ковалентные связи в отдельных молекулах сжимаются, накапливая энергию. Если вода замерзает в таком состоянии, связи высвобождают энергию в виде «размотанной пружины», охлаждаясь гораздо быстрее.

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной

Но не все эксперты согласны с такой трактовкой эффекта Мпембы. Кто-то обвиняет экспертов в том, что их теория могла бы предсказать новое свойство воды. Однако его нет в привычном понимании. Химик Ричард Заре из Стэнфордского университета вовсе считает, что быстрое замерзание горячей воды преимущественно зависит от испарения.

Скорее всего, именно из-за этого и происходит эффект Мпембы. Возможно, в будущем ученым удастся полностью доказать это или привнести какие-то поправки к объяснению.

Почему горячая вода замерзает быстрее чем холодная?

А знали ли вы, что горячая вода быстрее замерзнет в морозилке? Если нет, то мы сейчас объясним почему так происходит.

Для подтверждения этого феномена, можно для примера рассмотреть трубы с горячей и холодной водой. На сильном морозе трубы с кипятком – замерзнут быстрее. Такое явление вы можете наблюдать каждую зиму.

А как насчет эксперимента дома?

Что бы провести эксперимент дома, вам не обязательно ждать зимы и морозов. 

Достаточно лишь вскипятить воду, залить ее в форму для льда и поставить в морозильную камеру. То же самое проделать и с холодной водой. Достаточно подождать всего час, открыть морозилку и убедиться, что кипяток замерз действительно быстрее, чем холодная вода.

Кто первооткрыватель? Парадокс Мпембы.

В далеком 1963 году, обычный школьник из Африки заметил, что, если подогреть мороженое и поставить в холодильник – замерзнет оно быстрее чем просто подтаявшее. С этим он обратился к своему школьному учителю, но ответа так и не получил. Зато профессор физики Деннис Осборн с радостью помог мальчику разобраться в этом феномене. На протяжении 6 лет школьник и профессор проводили эксперименты, и в 1969 году, их результаты опубликовали в журнале Physics Education.

Основные тезисы статьи.

Скорость охлаждения температуры зависит от температуры вверху поверхности. Поэтому скорость потери тепла элемента, у которого начальная температура была высокой, будет гораздо выше, чем у элемента с более прохладной температурой. Однако такое утверждение очень спорное, потому что перед тем, как замерзнуть, вода обязательно проходит промежуточные температуры, если брать во внимание что присутствует влияние температурного градиента, Осборн допускал что это утверждение можно упустить.  После публикации в журнале, исследование стали называть «эффект Мпембы» другие исследователи начали работу над экспериментом, чтобы в конце концов разобраться, почему горячая вода замерзает быстрее.

Скорость замерзания от исходной температуры воды. Рисунок.

Объяснение.

Представляете, пол столетия искали ответ на вопрос «Почему горячая вода застывает быстрее, чем холодная»? Да-да, именно 54 года проводились разные исследования. Даже королевское сообщество обещало премию в размере 1000 фунтов тому, кто докажет эффект Мпембы. Победил Никола Брегович, который учился в хорватском университете в 2013г, он просуммировал все описанные теории и каждую описал отдельно. Но все же совсем немного приблизился к правде.

В 2017г ученые США и Китая все же объяснило этот феномен водородными связями в кластерной структуре воды.

Рассмотрим основные теории, которые были выдвинуты.

Кто-то дума что вода испарялась.

Не которые ученые объяснили, что вода с высокой температурой испаряется намного быстрее, и как следствие замерзая в воздухе образует корку из льда. Во всех экспериментах массу воды обязательно взвешивали, но потеря веча была незначительна – 3%. То есть такое уменьшение массы воды не могло вызвать быстрое замораживание. 

А кто-то выдвинул теорию испарения газа.

Поскольку растворимость газа снижается с повышением температуры воды, многие ученые считали, что именно с этим связано быстрое замерзание теплой воды. Но Томас в своих экспериментах показал, что разница между температурой замерзания очень слабо отклоняется от 0. Ученый Ауэрбах вовсе доказал, что концентрация газов в воде – никак не влияет на переохлаждение воды.

Ну и наконец – водородные связи.

И наконец в 2017 году ученые сошлись во мнениях, и получили один ответ на вопрос, — Почему горячая вода замерзает быстрее? Все дело в водородных связях, они увеличиваются с повышением температур воды, и наличием крепко связанных кластеров. Все это образовывает гексагональный лед при резком охлаждении воды.

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной

В 1963 году танганьикский школьник Эрасто Мпемба подошел на уроке к учителю физики и попросил объяснить почему горячая вода замерзает быстрее холодной, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы». Но мальчик стоял на своем, ведь он видел это своими глазами поставив две кружки воды в холодильник, и горячая замерзла быстрее.

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. В том же году Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета опубликовал статью с описанием явления.

Есть несколько вариантов объяснения этого парадокса:

Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объём воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.

Наличие снеговой подкладки в морозильной камере холодильника. Контейнер с горячей водой плавит под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозильника. Контейнер с холодной водой не плавит 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 превращение воды в лед затруднено и возможно даже её переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.

Из-за разницы в энергии запасенных в водородных связях. Чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды − молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии, как известно, и означает охлаждение.

Но однозначного ответа на вопрос, какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы, так и не было получено.

Действительно ли горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная? Кажется очевидным, что ответ должен быть отрицательным, потому что при прочих равных условиях горячей воде требуется больше времени для охлаждения, чем холодной воде, и поэтому она не может замерзнуть быстрее.

Но наблюдения за тысячи лет, а также бесчисленные современные эксперименты показали, что верно обратное — в тщательно контролируемых условиях горячая вода временами замерзает быстрее, чем холодная.

Как это возможно? Что ж, это то, что до сих пор сбивает ученых с толку — фактически, они все еще пытаются доказать, что этот эффект вообще существует, как объясняется в первом выпуске нового научного канала Дерека Мюллера, Sciencium.

Оказывается, заморозить воду намного сложнее, чем вы думаете.

Как поясняется в видео выше, явление, когда горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, известна как эффект Мпемба, названный в честь Эрасто Мпембы, танзанийского ученика, который в 1963 году делал мороженое в рамках школьного проекта. .

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

Беспокоясь о том, что в морозильной камере может остаться пятно, Мпемба вместо этого положил туда свою смесь, пока она еще была раскаленной. Но через 1,5 часа его смесь замерзла, а смеси одноклассников — нет.

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

Это было первое рецензируемое исследование эффекта, но, как отмечает Дерек в видео выше, наблюдения восходят к Аристотелю в 4 веке до н.э., который заметил, что во время своих экспериментов горячая вода охлаждалась раньше, чем холодная.

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

Но какова физика этого странного явления?

Как поясняется в видео выше, существует пять предложенных механизмов того, что здесь происходит:

1. Таяние льда: Мороз — изолятор, поэтому морозная холодная вода может лучше сохранять тепло, чем теплый стакан, который растапливает мороз с его сторон.
2. Растворенные газы: В холодной воде растворенных газов больше, чем в теплой, и исследователи предсказали, что это может влиять на скорость охлаждения, хотя неясно, как именно.
3. Переохлаждение: Все мы знаем, что вода замерзает при нулевой температуре по Цельсию, но иногда она становится намного холоднее, прежде чем замерзнет — явление, известное как переохлаждение. Это происходит потому, что для образования льда требуется место зарождения, такое как пузырь воздуха или примесь в воде.Так что, возможно, теплая вода переохлаждена меньше, чем холодная.
4. Испарение: Стакан с горячей водой теряет больше молекул воды из-за испарения, поэтому ее меньше замерзает.
5. Конвекция: Наконец, есть идея, что теплая вода может охлаждаться быстрее из-за увеличения конвекционных потоков. Эти токи возникают из-за того, что вода охлаждается в основном с ее поверхности и стенок стакана, в результате чего холодная вода опускается, а теплая вода поднимается и занимает свое место. В теплых стаканах токи больше, что может 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 разочаровывающе несовместимыми.

Некоторые лаборатории не смогли показать, что эффект Мпемба вообще происходит, в то время как другие показывают, что он происходит даже в различных условиях.

Так что же ответ? Новое исследование, опубликованное в этом году, предполагает, что, возможно, эффект Мпембы вызван чем-то совершенно другим — и это 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 предстоит многое узнать о таком простом, как замерзшая вода. Наука лучше всех.

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

Аристотель первым 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 также и одним из самых загадочных. Например, как и большинство жидкостей, он становится плотнее при охлаждении. Но в отличие от них, он достигает состояния максимальной плотности при 4 ° C, а затем становится менее плотным, прежде чем замерзнет.

В твердом виде он еще менее плотный, поэтому стандартный лед плавает по воде. Это одна из причин, по которой жизнь на Земле процветала: если бы лед был плотнее воды, озера и океаны замерзали бы снизу вверх, почти наверняка препятствуя той химии, которая делает возможной жизнь.

Еще есть странный эффект Мпемба, названный в честь студента из Танзании, который обнаружил, что горячее мороженое замерзает быстрее, чем холодное, на кулинарных курсах в начале 1960-х годов. (Фактически, этот эффект был отмечен многими учеными на протяжении всей истории, включая Аристотеля, Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта.)

Эффект Мпембы — это наблюдение, что теплая вода замерзает быстрее, чем холодная. Эффект был измерен во многих случаях, и было выдвинуто множество 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. Другой заключается в том, что теплая вода быстро испаряется и, поскольку это эндотермический процесс, она охлаждает воду, заставляя ее быстрее замерзать.

Ни одно из этих объяснений не является полностью убедительным, поэтому истинное объяснение все еще остается открытым.

Сегодня Си Чжан из Технологического университета Наньян в Сингапуре и несколько друзей предоставляют его.Эти парни говорят, что парадокс Мпембы является результатом уникальных свойств различных связей, которые удерживают воду вместе.

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

Но соедините молекулы воды вместе, и водородные связи также начинают 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 ван-дер-Ваальсовых сил, 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 тонкие роли, которые могут играть водородные связи. Например, молекулы воды внутри узких капилляров образуют цепочки, удерживаемые водородными связями.Это играет важную роль в деревьях и растениях, где испарение воды через мембрану листа эффективно вытягивает цепочку молекул воды вверх от корней.

Теперь Си и др. Говорят, что водородные связи также объясняют эффект Мпемба. 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 по мере того, как 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, в котором ковалентные связи отдают энергию, эквивалентен охлаждению.

Фактически, эффект является дополнительным по сравнению с обычным процессом охлаждения. Говорят, теплая вода должна остывать быстрее, чем холодная. Именно это и наблюдается в эффекте Мпембы.

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

Вуаля! Это интересное понимание сложных и загадочных свойств воды, которые до сих пор доставляют химикам бессонные ночи.

Но хотя идея Кси и его убедительна, это не совсем теоретический удар, который потребуется многим физикам для решения вопроса. Это потому, что новой теории не хватает предсказательной силы — по крайней мере, в этой статье.

Си и компаниям необходимо использовать свою теорию для предсказания нового свойства воды, которого нет в традиционном представлении о воде.Например, укороченные ковалентные связи могут привести к некоторым измеримым свойствам воды, которые в противном случае не присутствовали бы. Открытие и измерение этого свойства было бы coup de grâce , в котором нуждалась их теория.

Итак, хотя эти ребята вполне могли разгадать загадку эффекта Мпембы, им, вероятно, придется потрудиться, чтобы убедить всех. Тем не менее, интересный материал!

Ссылка: arxiv.org/abs/1310.6514: O: H-O-связь с аномальной релаксацией, устраняющая парадокс Мпембы

Наука! Вот почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная

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

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

Но давайте проясним одну вещь: на самом деле нет никаких споров о том, что эффект Мпембы существует. Это наблюдалось в многочисленных контролируемых экспериментах.* Аристотель впервые отметил его существование, когда написал о том, как ледовые рыбаки нагревали воду, чтобы она быстрее замерзла, более двух тысячелетий назад. Эффект назван в честь танзанийца Эрасто Мпембы, который, будучи учеником средней школы в 1963 году, заметил, что смеси горячего мороженого замерзают быстрее, чем смеси холодного мороженого. Его вопрос к приглашенному лектору д-ру Денису Г. Осборну: «Если вы возьмете два одинаковых контейнера с равными объемами воды, один с температурой 35 ° C (95 ° F), а другой — с температурой 100 ° C (212 ° F), и поставите их в морозильную камеру, первая замораживается при температуре 100 ° C (212 ° F). Почему? »Изначально высмеивали, но позже Осборн воспроизвел результаты Мпембы и написал вместе с ним 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 холод заморозился быстрее», не считается контролируемым экспериментом.

Это совершенно нелогично и, похоже, нарушает основные законы термодинамики. Для ясности, мы говорим здесь, что при определенных условиях общее время, необходимое для замерзания объема теплой воды, будет на меньше, чем на , чем общее время, необходимое для того, чтобы замерзнуть равный объем холодной воды, учитывая точно такую ​​же внешнюю температуру.Это действительно странная вещь. Я имею в виду, что в какой-то момент процесса теплая вода не достигает того же начального состояния, что и холодная? И если да, то почему эта холодная вода, которая недавно была горячей, замерзает быстрее, чем вода, которая вначале была холодной? Это заставило людей чесать затылки или открыто отрицать его существование на протяжении десятилетий.

С тех пор были выдвинуты многочисленные объяснения, чтобы попытаться объяснить это явление, но ни одно из них не было чем-то большим, чем правдоподобно звучащими теориями.Вот несколько из них:

Теория: Конвекционные токи в теплой воде, вызванные большой разницей температур, заставят ее охлаждаться более быстро, и эти конвекционные токи продолжаются даже после того, как вода упадет до той же температуры, что и более холодная вода, что позволяет ей обогнать более холодную вода при замерзании. *

* Проблема: вода — довольно вязкое вещество, и подобные конвекционные потоки не будут продолжать течь в течение времени, необходимого для охлаждения воды.

Теория: Горячая вода испаряется. Меньше оставшейся воды означает меньше воды для замораживания. **

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

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

*** Проблема: вы можете провести эксперимент с горячим и холодным противнями в одной морозильной камере и при этом наблюдать, как теплый лоток замерзает быстрее, чем холодный.

Теория: Холодная вода замерзает слоем сверху, создавая изоляцию и не позволяя остальной части очень быстро остыть. ****

**** Проблема: Горячая вода также образует этот слой инея.

Экспериментальные проблемы велики, потому что есть так много переменных, которые нужно контролировать — 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 публикации на прошлой неделе наиболее правдоподобная работа была сделана заинтересованным неспециалистом Джеймсом Браунриджем, который предположил, что нагревание 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 ° C и не начинает кристаллизоваться, пока температура не станет значительно ниже этой).

В новой статье утверждается, что на самом деле существует химическое объяснение этого эффекта, которое математически соответствует наблюдаемым данным — насколько мне известно, первое объяснение, которое может это сделать.

Молекулы воды состоят из двух молекул водорода, прикрепленных к молекуле кислорода в основном за счет прочных ковалентных связей. 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 вода поглощает энергию, водородные связи будут растягиваться (заставляя отдельные молекулы воды отдаляться друг от друга), но ковалентные связи внутри каждой молекулы становятся короче и жестче — то же самое, что происходит при замерзании воды.

Итак, на индивидуальном молекулярном уровне нагретая вода больше напоминает замороженную воду, чем исходная более холодная вода. Что еще более важно, скорость, с которой высвобождается энергия в этих сжатых ковалентных связях, экспоненциально зависит от того, сколько энергии было изначально сохранено. Фактически, горячая вода имеет энергию, подобную источнику, который высвобождается, когда вы начинаете охлаждать ее, позволяя ей быстрее остывать и замерзать.

Аккуратно, а?

Вы можете прочитать подробности в полном тексте статьи здесь, вместе с совершенно непонятными диаграммами и диаграммами.

Новый эксперимент показывает, как горячая вода может замерзнуть быстрее холодной

В физике расслабиться не так просто, как кажется.

Согласно новому исследованию, горячий объект может остывать быстрее, чем теплый. При охлаждении более теплая система остыла за меньшее время, чем более холодная система, чтобы достичь такой же низкой температуры. А в некоторых случаях ускорение было даже экспоненциальным, сообщают физики в журнале Nature от 6 августа.

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 воды и процесса замерзания, что затрудняло воспроизведение результатов, и в результате ученые не могли прийти к единому мнению о том, что вызывает эффект, как его определить и является ли он реальным ( SN: 1/6 / 17 ).

Чтобы обойти эти сложности, Авинаш Кумар и Джон Бечхофер, оба из Университета Саймона Фрейзера в Бернаби, Канада, использовали крошечные стеклянные бусины диаметром 1,5 микрометра вместо воды. И исследователи определили эффект Мпембы, основанный на охлаждении, а не на более сложном процессе замораживания.

Подпишитесь на последние новости от

Science News

Заголовки и резюме последних Новости науки статей, доставленных на ваш почтовый ящик

Результат: «Впервые эксперимент можно назвать чистым, идеально контролируемым экспериментом, демонстрирующим этот эффект», — говорит химик-теоретик Чжиюэ Лу из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл.

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 остывает, исследователи отслеживали движения бусинок с течением времени. Бусинки начинались либо при высокой, либо при умеренной температуре, и исследователи измерили, 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, тогда как более холодные шарики охлаждались в 10 раз дольше.

В новом эксперименте (показан с исследователем Авинашем Кумаром) лазер воздействовал на крошечные стеклянные шарики, чтобы продемонстрировать, что горячая система шариков может остывать быстрее, чем холодная. Прихвирадж Басак

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, предполагая, 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, в котором 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 ознобу, позволяющих сократить возможные пути. Для бусинок, в зависимости от формы ландшафта, начало с более высокой температуры означало, что им было легче перестроиться в конфигурацию, которая соответствовала более низкой температуре.Это похоже на то, как турист может быстрее добраться до пункта назначения, начав дальше, если эта отправная точка позволяет ему избежать трудного восхождения на гору.

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

Вода является более сложной, включая причуды примесей в воде, испарение и возможность переохлаждения, когда вода является жидкой при температуре ниже нормальной температуры замерзания ( SN: 3/23/10 ).

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

Вот как горячая вода может замерзнуть быстрее холодной

Холодная вода должна замерзать быстрее, чем горячая.Верно? Это кажется логичным. Но некоторые эксперименты показали, что при правильных условиях горячая вода может замерзать быстрее, чем холодная. Теперь химики предлагают новое объяснение того, как это могло произойти.

Однако они не подтверждают, что это действительно происходит.

Более быстрое замораживание горячей воды известно как эффект Мпембы. Если это произойдет, то только при определенных условиях. И эти условия будут включать связи, которые связывают соседние молекулы воды.Группа химиков описала эти потенциально необычные свойства замораживания в статье, опубликованной 6 декабря в журнале Journal of Chemical Theory and Computation .

Учителя и родители, подпишитесь на шпаргалку

Еженедельные обновления, которые помогут вам использовать Новости науки для студентов в учебной среде

Однако их статья не убедила всех. Некоторые скептики утверждают, что эффект нереален.

Люди описывали быстрое замораживание горячей воды с первых дней науки. Аристотель был греческим философом и ученым. Он жил в 300-х годах до нашей эры. Тогда он сообщил, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Перенесемся в 1960-е. Именно тогда студент из восточноафриканской страны Танзания Эрасто Мпемба тоже заметил кое-что странное. Он утверждал, что его мороженое превращалось в твердое быстрее, когда его помещали в морозильную камеру горячим паром. Вскоре ученые назвали феномен быстрой заморозки горячей воды для Мпембы.

Никто не уверен, что могло вызвать такой эффект, хотя многие исследователи догадывались об объяснениях. Один связан с испарением. Это переход жидкости в газ. Другой связан с конвекционными токами. Конвекция возникает, когда более горячий материал в жидкости или газе поднимается, а более холодный материал опускается. Еще одно объяснение предполагает, что газы или другие примеси в воде могут изменять скорость ее замерзания. Тем не менее, ни одно из этих объяснений не покорило научное сообщество в целом.

Теперь приходит Дитер Кремер из Южного методистского университета в Далласе, штат Техас. Этот химик-теоретик использовал компьютерных моделей для моделирования действий атомов и молекул. В новой статье он и его коллеги предполагают, что химические связи — связи — между молекулами воды могут помочь объяснить любой эффект Мпембы.

Необычные связи между молекулами воды?

Водородные связи — это связи, которые могут образовываться между атомами водорода одной молекулы и атомом кислорода соседней молекулы воды. Группа Кремера изучила силу этих связей. Для этого они использовали компьютерную программу, которая моделировала кластеризацию молекул воды.

По мере того, как вода нагревается, Кремер отмечает: «Мы видим, что водородные связи меняются». Сила этих связей может различаться в зависимости от того, как расположены близлежащие молекулы воды. При моделировании холодной воды возникают как слабые, так и сильные водородные связи. Но при более высоких температурах модель предсказывает, что большая часть водородных связей будет прочной.Кажется, говорит Кремер, «более слабые в значительной степени сломаны».

Его команда осознала, что новое понимание водородных связей может объяснить эффект Мпембы. Когда вода нагреется, более слабые связи разорвутся. Это привело бы к тому, что большие кластеры этих связанных молекул фрагментировались бы на более мелкие кластеры. Эти фрагменты могут перестроиться, чтобы сформировать крошечные кристаллы льда. Затем они могут служить отправной точкой для продолжения массового замораживания. Чтобы холодная вода перестроилась таким образом, сначала необходимо разорвать слабые водородные связи.

«Анализ в статье сделан очень хорошо, — говорит Уильям Годдард. Он химик в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене. Но он добавляет: «Большой вопрос в том, действительно ли это имеет прямое отношение к эффекту Мпембы?»

По его словам, группа

Кремера отметила эффект, который может вызвать это явление. Но эти ученые не смоделировали реальный процесс замораживания. Они не продемонстрировали, что это происходит быстрее, если включить новые идеи о водородных связях.Проще говоря, объясняет Годдард, новое исследование «на самом деле не дает окончательной связи».

Ученые Somel больше обеспокоены новым исследованием. Среди них Джонатан Кац. Физик, он работает в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Идея о том, что теплая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная, «просто лишена всякого смысла», — говорит он. В экспериментах с Мпемба вода замерзает в течение нескольких минут или часов. Кац утверждает, что по мере того, как температура падает в течение этого периода времени, слабые водородные связи будут преобразовываться, а молекулы перестраиваться.

Другие исследователи также спорят о существовании эффекта Мпембы. Ученые изо всех сил пытались добиться повторяемости эффекта. Например, одна группа ученых измерила время, за которое горячие и холодные образцы воды остынут до нуля градусов по Цельсию (32 градуса по Фаренгейту). «Что бы мы ни делали, мы не могли наблюдать ничего похожего на эффект Мпембы», — говорит Генри Берридж. Он инженер Имперского колледжа Лондона в Англии. Он и его коллеги опубликовали свои результаты 24 ноября в журнале Scientific Reports .

Но их исследование «исключило очень важный аспект этого явления», — говорит Никола Брегович. Он химик в Загребском университете в Хорватии. Он говорит, что в исследовании Берриджа учитывалось только время достижения температуры, при которой вода замерзает. Само инициирование замораживания не наблюдалось. И, как он отмечает, процесс замораживания сложен и его трудно контролировать. Это одна из причин, по которой эффект Мпембы так сложно исследовать. Но, добавляет он, «я по-прежнему убежден, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.”

Эффект Мпембы: почему горячая вода замерзает быстрее холодной

Это загадка, которая озадачивала мыслителей со времен Аристотеля: при определенных обстоятельствах горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная. Теперь, впервые группа испанских физиков выяснила, как и почему может возникнуть этот кажущийся парадокс, известный как эффект Мпембы.

Ответ, как описано в статье Physical Review Letters Антонио Ласанта из Мадридского университета Карла III и его коллег, зависит от скорости отдельных частиц воды, которые снуют во всех направлениях, как муравьи в гнезде.

Хотя эффект Мпембы был отмечен многими учеными и естествоиспытателями на протяжении веков, включая Рене Декарта и Фрэнсиса Бэкона, до 1960-х годов он мало изучался в современном мире. Ситуация изменилась, когда танзанийский подросток по имени Эрасто Мпемба заметил, что смесь мороженого, нагретая, замерзает быстрее, чем холодная. Мпемба спросил об этом физика, который посещал его среднюю школу, и вместе они подтвердили существование эффекта в лаборатории.

С тех пор были предложены различные объяснения эффекта Мпембы: испарение из теплой воды уносит тепло более эффективно, или необычные потоки внутри жидкости, или даже переохлаждение, при котором температура воды падает значительно ниже нуля, прежде чем она превратится в лед. .

Ни одно из объяснений не было полностью убедительным. Действительно, недавнее исследование пришло к «несколько печальному» выводу, что не удалось найти никаких доказательств того, что эффект вообще существует.

Чтобы изучить проблему, испанские исследователи начали с ее более четкого определения.Представьте себе два стакана с водой, один горячее и один холоднее, помещенные в морозильную камеру. Если применяется эффект Мпембы, более горячий достигнет нуля градусов раньше, чем более холодный.

Внутри каждого стакана молекулы, составляющие воду, роятся во всех направлениях. Если вода нагревается, они движутся быстрее; если остынет, они замедлятся до ползания; а если замерзает, они застревают на месте, слабо извиваясь на месте.

Команда

Ласанта проанализировала упрощенную версию этой ситуации, в которой частицы в жидкости представляют собой крошечные сферы, которые теряют крошечный бит энергии каждый раз, когда сталкиваются друг с другом.

Принято считать, что время, необходимое для замерзания каждого стакана с водой, зависит только от его начальной температуры. Частицы в более горячей воде движутся быстрее, а это значит, что им нужно больше замедляться — поэтому чем горячее жидкость, тем больше времени на это потребуется.

Однако исследователи обнаружили, что температура была не единственным важным фактором.

Если частицы воды подобны муравьям, бегающим вокруг гнезда, температура всей жидкости соответствует их средней скорости. Таким образом, гнездо, в котором все муравьи ходят со скоростью 50 метров в час, выглядит так же, как гнездо, где половина делает 50, четверть бегут на 75, а последняя четверть медлит на 25.

Однако количество выбросов — ленивых отставших и демонов скорости — оказывается, играет ключевую роль в определении скорости охлаждения. Эта степень отклонения от среднего, свойство, известное статистикам как «эксцесс», не учитывалась в более ранних исследованиях, что могло объяснить плохую воспроизводимость эффекта Мпембы.

Включение эксцесса в уравнения изменило правила игры. «Мы можем провести аналитические расчеты, чтобы узнать, как и когда произойдет эффект Мпембы», — говорит Ласанта.

При подходящих условиях — если горячий стакан на нужную величину горячее, чем холодный, а его молекулы достаточно своенравны, чтобы вызвать высокий эксцесс — моделирование показывает, что более горячий образец будет охлаждаться быстрее, чем более холодный.

«Фактически, — говорит Ласанта, — мы обнаруживаем не только то, что самые горячие могут охлаждаться быстрее, но и противоположный эффект: самые холодные могут нагреваться быстрее, что можно было бы назвать обратным эффектом Мпембы. ”

Следующий шаг? Пытаюсь проверить моделирование — сначала в лаборатории, затем в реальном мире. Если все получится, открытие может найти применение в холодильной технике.

Связанное чтение: Почему вода левитирует на горячей поверхности

Experiment mpemba быстрее замерзает регистратор данных горячей и холодной воды

Результаты на графике выше показывают, что образец горячей воды достигает точки замерзания 0 ° C раньше, чем образец воды комнатной температуры: это известно как эффект Мпемба.

Обсуждение результатов

Эффект Мпемба был впервые обнаружен танзанийским студентом при изготовлении мороженого в 1969 году. Эффект Мпемба — это явление, при котором горячая вода при определенных условиях может замерзать быстрее, чем холодная.

Ученые определили ряд факторов, объясняющих эффект Мпембы (проводимость, испарение и конвекция), но пока все теории являются лишь умозрительными.

Проводимость — этот эффект больше подходит, когда пробы воды охлаждаются в морозильной камере. Когда образец, содержащий более горячую воду, помещается на полку в морозильной камере, тепло растапливает лед под контейнером. При повторном замораживании тепло от контейнера будет лучше отводить тепло, чем образец холодной воды, просто лежащий на полке.

Испарение — это важно, если температура пробы воды высокая и емкость имеет большую открытую поверхность. Эффект испарения заключается в удалении массы из высокотемпературного образца, что затем компенсирует более широкий диапазон температур.

Конвекция — максимальная плотность воды составляет 4 ° C. Если образец воды с температурой температуры 4 ° C поместить в морозильную камеру, вода на поверхности быстро остынет. Поскольку вода на поверхности менее плотная, вода под замерзшим слоем будет оставаться на поверхности и образовывать изолирующий слой для воды под ней.

Более горячий образец будет вести себя иначе. Вода на поверхности быстро остынет из-за испарения и станет более плотной, чем горячая вода внизу.