Какая вода быстрее замерзнет: Горячая вода замерзает быстрее холодной

Содержание

«Мы развлекались как могли» Как жители Севера влюбили весь мир в дубак: Явления: 69-я параллель: Lenta.ru

Жители российского Севера бросили вызов крутым холодам и немало удивили пользователей сети. Они показали, что будет, если расплескать на морозе кипяток. Никакого травматизма: суровые морозы способны обезоружить даже самый крутой кипяток, заключив его в лед. Эффектное разливание кипятка прозвали #дубакчеллендж. «Дубак челлендж» оказался на редкость живописным зрелищем. Расплескивая ведра воды прямо над головой, люди создают в воздухе произведения искусства, которым суждено разрушиться уже в следующую секунду.

Эффект Мпембы — так объясняется мгновенное замерзание кипятка на морозе. Это научный парадокс, вступающий в конфликт с первым началом термодинамики. Согласно теории Мпембы (так звали ученого, заметившего парадокс), горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. При этом в процессе замерзания кипяток должен пройти температуру холодной воды. Сотни фотографий и видео в соцсетях служат тому подтверждением.

Фото опубликовано @aizat.rf

Фото опубликовано @8_madi_8

«Бросаться кипятком на Крайнем Севере — увлекательное занятие», — иронизирует телеведущая Вера Красова, подхватившая челлендж.

Фото опубликовано @verakrasova

Фото опубликовано @photolivesurgut

Застывшая в воздухе вода напоминает фейерверк.

Фото опубликовано @dasha_leber

Фото опубликовано @chumi_na

Фото опубликовано @sad1kov

Фото опубликовано @golos_vremeni

Хотя некоторым узоры в воздухе больше кажутся похожими на морских гребешков.

А вы знаете, что такое эффект МПембы?
#дубакчеллендж
Фото опубликовано @igor_raksha

Во флешмобе принимают участие не только взрослые, но и дети.

Фото опубликовано @_11cherry11_

Некоторые северяне решают добавить экстрима и раздеваются ради «дубак челлендж». Температура минус сорок за окном их не пугает.

Фото опубликовано @vika_eduardovna

Арктические морозы сковали Сибирь в начале месяца. Рано утром 5 февраля столбики термометра в Красноярске и Новосибирске показывали минус 49 градусов. Синоптики называют такую погоду аномальной даже для Сибири.

горячая или холодная? От чего это зависит

На то, какая вода быстрее замерзает, горячая или холодная, влияет множество факторов, но сам по себе вопрос кажется немного странным. Подразумевается, и это известно из физики, что горячей воде еще нужно время для того, чтобы остыть до температуры сравниваемой холодной воды, чтобы превратиться в лед. Холодной воде этот этап можно пропустить, а, соответственно, по времени она выигрывает. Но ответ на вопрос о том, какая вода замерзает быстрее — холодная или горячая — на улице в мороз, знает любой житель северных широт. По сути, по-научному, выходит, что в любом случае холодная вода просто обязана замерзнуть быстрее.

Так же подумал и учитель физики, к которому обратился школьник Эрасто Мпемба в 1963 году с просьбой объяснить, почему холодная смесь будущего мороженого замерзает дольше, чем аналогичная, но горячая.

«Это не всемирная физика, а какая-то физика Мпембы»

В тот раз учитель только посмеялся над этим, но Денисс Осборн, профессор физики, который в свое время заехал в ту же школу, где учился Эрасто, экспериментально подтвердил наличие такого эффекта, хотя и объяснения тогда этому не нашлось. В 1969 году в популярном научном журнале вышла совместная статья этих двух людей, которые описали этот своеобразный эффект. С тех пор, кстати, вопрос о том, какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная, имеет собственное название – эффект, или же парадокс, Мпембы.

Вопрос возникал давно

Естественно, что и раньше такой феномен имел место быть, и он был упомянут в работах других ученых. Не только школьник интересовался этим вопросом, но и свое время об этом думал Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт и даже Аристотель. Вот только подходы к решению данного парадокса приступили искать только в конце двадцатого века.

Условия для того, чтобы произошел парадокс

Как и в случае с мороженым, не просто обычная вода замерзает в процессе эксперимента. Должны присутствовать определённые условия для того, чтобы начать спорить, какая вода замерзает быстрее – холодная или горячая. Что влияет на протекание данного процесса?

Сейчас, в 21 веке, выдвинуто несколько вариантов, которые могут объяснить даный парадокс. То, какая вода замерзает быстрее, горячая или холодная, может зависеть от того, что у горячей воды имеется большая, чем у холодой, скорость испарения. Таким образом, уменьшается ее объем, а при уменьшении объема и время замерзания становится меньше, нежели если взять аналогичный изначальный объем холодной воды.

Давно размораживали морозилку

На то, какая вода замерзает быстрее, и почему это происходит, может повлиять снеговая подкладка, которая может иметь место в морозилке холодильника, используемого для эксперимента. Если взять два контейнера, идентичных по объему, но в одном из них будет горячая вода, а в другом – холодная, контейнер с горячей водой расплавит под собой снег, тем самым улучшая контакт теплового уровня со стенкой холодильника. Контейнер с холодной водой такого сделать не может. Если же таковой подкладки со снегом в холодильной камере нет, холодная вода должна замерзнуть быстрее.

Верх — внизу

Также явление того, какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная, объясняется следующим образом. Следуя определенным законам, холодная вода замерзать начинает с верхних слоев, когда горячая делает это наоборот — начинает замерзать снизу вверх. При этом выходит, что холодная вода, имея сверху холодную прослойку с уже местами образовавшимся льдом, ухудшает себе таким образом процессы конвекции и теплового излучения, тем самым объясняется, какая вода замерзает быстрее — холодная или горячая. Фото с любительских экспериментов прилагается, и здесь это четко видно.

Тепло выходит наружу, стремясь вверх, а там встречается с очень охлажденным слоем. Свободного пути для теплоизлучения не имеется, потому процесс охлаждения становится затруднительным. Таких преград на своем пути абсолютно не имеет горячая вода. Какая замерзает быстрее – холодная или горячая, от чего зависит вероятный исход, можно расширить ответ тем, что любая вода имеет определенные вещества, растворенные в ней.

Примеси в составе воды как фактор, влияющий на исход

Если не жульничать и использовать воду с одинаковым составом, где концентрации определенных веществ являются идентичными, то холодная вода должна замерзнуть быстрее. Но если же происходит ситуация, когда растворённые химические элементы в наличии только в горячей воде, а холодная вода при этом ими не обладает, тогда есть возможность у горячей воды замерзнуть раньше. Объясняется это тем, что растворенные вещества в воде создают центры кристаллизации, и при малом количестве этих центров превращение воды в твердое состоянии затруднено. Возможно даже переохлаждение воды, в том плане, что при минусовой температуре она будет находиться в жидком состоянии.

Но все эти версии, видно, не до конца устраивали ученых и они продолжали работать над этим вопросом. В 2013 году команда исследователей в Сингапуре заявила, что им удалось разгадать вековую загадку. Группа из китайских ученых утверждает, что секрет данного эффекта состоит в количестве энергии, которая запасена между молекулами воды в ее связях, именуемых водородными.

Разгадка от китайских ученых

Далее последует информация, для понимания которой необходимо иметь некоторые знания в химии, чтобы разобраться в том, какая вода замерзает быстрее — горячая или холодная. Как известно, молекула воды состоит из двух атомов Н (водорода) и одного атома О (кислорода), удерживаемых между собой ковалентными связями.

Но также атомы водорода одной молекулы притягиваются и к соседним молекулам, к их кислородной составляющей. Именно такие связи называются водородными.

При этом стоит помнить, что в то же время молекулы воды действуют друг на друга отталкивающее. Ученые отметили, что при нагревании воды между ее молекулами увеличивается расстояние, и этому способствуют как раз отталкивающие силы. Получается так, что водородные связи, занимая одно расстояние между молекулами в холодном состоянии, можно сказать, растягиваются, и у них появляется больший запас энергии. Именно этот запас энергии высвобождается, когда молекулы воды начинают сближаться друг с другом, то есть, происходит охлаждение. Выходит, что больший запас энергии в горячей воде, и ее большее высвобождение при охлаждении до минусовых температур, происходит быстрее, чем в холодной воде, у которой запас такой энергии меньше. Так какая вода замерзает быстрее — холодная или горячая? На улице и в лаборатории должен происходить парадокс Мпембы, и горячая вода должна превращаться в лед быстрее.

Но вопрос все еще открыт

Существует лишь теоретическое подтверждение данной разгадки – все это написано красивыми формулами и кажется правдоподобным. Но вот когда данные экспериментов, какая вода быстрее замерзает — горячая или холодная, будут поставлены в практическом смысле, и их результаты будут представлены, тогда и можно будет считать вопрос парадокса Мпембы закрытым.

Какая вода замерзает быстрее — пресная или соленая: при 0 градусов, какова температура замерзания и от чего она зависит?

Какая превратится в лед быстрее?

При одинаковых внешних факторах скорость кристаллизации пресной воды будет выше, чем соленой. При резком охлаждении молекулы воды начинают сцепляться друг с другом, и формируется осколок льда.

Скорость образования льда из питьевой воды при -43°С составляет одну миллионную секунды (0,000001 с). В нормальных условиях кристаллизация пресной воды начинается при 0°С.

Поэтому скорость образования льда в природе, исходя из исследований американских ученых, составляет 2,32 секунды.

Соленая вода не имеет четко установленной температуры замерзания. Этот показатель зависит от концентрации растворенных веществ.

Рассчитать показатели, при которых начинается образование льда можно по формуле:

t3 = -0,0545*S, где S – это уровень насыщения воды минеральными веществами.

Результат всегда будет ниже 0 градусов. Кроме этого, механизм образования льда такого раствора отличается от процессов, проходящих в питьевой воде.

Сравнительные показатели

Наличие примесей существенно влияет на физические свойства вещества:

Изменяется плотность,
температурные режимы,
поведение при переходах из одного агрегатного состояния в другое.

Температура замерзания

Минерализация питьевой воды составляет 0,1%, поэтому температура замерзания 0 градусов Цельсия. Концентрация минеральных добавок в соленой воде варьируется. Температуру замерзания рассчитывают по формуле t3 = -0,0545*S, то есть изменение происходит на -0,54°С на каждые 10 промилле солености.

Например, при минерализации раствора равной 24,7 промилле (морская вода) показатель равен -1,33°С. В Мертвом море насыщенность минеральными добавками достигает 350 промилле. Вода в нем будет кристаллизоваться при -19° Цельсия.

Почему несоленая замерзнет при 0 градусов, а соленая – меньше 0 градусов?

Соленые и пресные воды отличаются по составу. Это 2 различных раствора. Они отличаются по физическим показателям. Поэтому температуры кристаллизации отличаются.

Факторы и их влияние

На начало процесса образования льда в питьевой воде оказывает влияние 2 фактора – процент растворенных минеральных веществ и давление.

Если количество примесей стремится к нулю, и по физическим показателям питьевая вода приближается к химически чистому веществу, то она может оставаться в жидкой форме при температуре ниже 0 градусов.

Если понизить давление, то процесс кристаллизации замедлится. При изменении показателя на 1 атмосферу температура повышается на 0,01°C.

Факторы, влияющие на температуру образования льда из соленой воды:

концентрация минеральных веществ;
внешние условия – погода, наличие ветра, лабораторные условия или естественная среда.

Как происходит кристаллизация в различных растворах?

Процесс кристаллизации жидкости отличается в зависимости от степени ее минерализации:

Пресная – после образования начального кристалла льда начинается хаотическое изменение ее агрегатного состояния. Могут сформироваться шестиугольный и кубический лед.
Они состоят из гексаэдров с атомами кислорода в вершине, но относительное расположение колец отличается. Кубический лед встречается на высоте несколько тысяч метров
Соленая – при достижении температуры замерзания образуются ледяные иглы. Часть минеральных веществ остается в образующихся кристаллических структурах. Минерализация такого льда в 4 раза меньше исходного раствора.

Дальнейший процесс зависит от внешних факторов. Соленая вода замерзает, начиная от края емкости, в центре образуется непрозрачный стержень. В нем содержится большая часть минеральных добавок. Эта часть замерзает последней.

Если процесс идет в естественных условиях, то верхняя охлажденная часть будет опускаться вниз. На поверхность поднимаются теплые потоки.

Перемешивание продолжается до тех пор, пока не достигнет точки переохлаждения. После этого соленая вода замерзает иглами на всю глубину.

Видео по теме статьи

Какая вода замерзнет быстрее — соленая или пресная, видео-эксперимент:

Заключение

Сравнивать скорость замерзания пресной и соленой воды некорректно. Так как это разные растворы с различными физическими характеристиками.

В одинаковых условиях лед в емкости с первой образуется раньше, чем в пробирке со второй. Ведь их способы и механизмы кристаллизации различны, как и плотность растворов.

Почему горячая вода замерзает быстрее? — Koolinar.ru

Этот парадоксальный факт- то, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, — начали обсуждать еще в XVII веке, когда об этом явлении написал сэр Фрэнсис Бэкон. Даже в наши дни канадцы утверждают, что ведро с горячей водой, выставленное у дверей дома в холодную погоду, замерзнет быстрее, чем такое же ведро с холодной водой.

Хотите верьте, хотите нет, но горячая вода и вправду может замерзнуть быстрее, чем холодная. Иногда так бывает. При определенных условиях. Вероятность замерзания горячей воды зависит от многих факторов.

Интуитивно нам кажется, что это невозможно, ведь горячей воде надо пройти больший путь снижения температуры до точки замерзания. Для того чтобы снизить температуру на каждые 4 °С, каждый литр воды должен потерять около двух калорий тепла. Так что чем на большее количество градусов должна понизиться температура воды, тем больше теплоты из нее надо изъять, а значит, время остывания будет больше, при прочих равных условиях.

Но согласно «закону» повсеместного искажения, все прочие условия никогда не бывают равными. Как мы с вами увидим, горячая и холодная вода отличаются не только своей температурой.

Если загнать химика в угол и потребовать, чтобы он объяснил, отчего горячая вода может замерзнуть быстрее холодной, то он, скорее всего, станет бормотать что-то насчет большего количества растворенного воздуха в холодной воде: растворенные в воде вещества могут понизить ее температуру замерзания. Это правда, но этого объяснения недостаточно. Количество растворенного воздуха в холодной водопроводной воде снижает температуру замерзания менее чем на тысячную долю градуса, и такую мелочь вряд ли возможно точно проконтролировать. Так что версия о воздухе, растворенном в воде, просто неубедительна.

Настоящая разница между горячей и холодной водой состоит в том, что чем горячее вещество, тем быстрее оно рассеивает свою теплоту вокруг себя. То есть теплая вода остывает в более быстром темпе — теряет больше градусов (единиц измерения тепла) в минуту, — чем холодная вода. Эта разница особенно заметна, если контейнеры с водой неглубокие и большая поверхность воды контактирует с воздухом. Но все это не означает, что горячая вода первой достигнет замерзания, ведь неважно, насколько быстро она остывает сначала — ей все равно не удастся сделать больше, чем просто догнать холодную воду, то есть остыть. Тогда они уже будут на равных.

Большее отличие между горячей и холодной водой состоит в том, что горячая вода испаряется быстрее холодной. Так что если мы попытаемся заморозить равные количества горячей и холодной воды, то к тому моменту, когда ее температура наконец достигнет нуля градусов, в емкости с горячей водой останется меньше воды, чем в контейнере с холодной водой. А меньшее количество воды, естественно, замерзнет быстрее.

Может ли этот нюанс сыграть важную роль? Вода вообще очень часто оказывается необычной жидкостью. Например, из воды можно извлечь неожиданно большое количество теплоты, прежде чем ее температура упадет очень низко (с научной точки зрения, у воды высокая теплоемкость). Так что даже если контейнер с горячей водой потерял благодаря испарению лишь немногим больше воды — по сравнению с контейнером, наполненным холодной водой, — ему может понадобиться намного меньше времени, чтобы замерзнуть.

Но не спешите бежать в кухню и проверять эту теорию с формочками для льда — просто потому, что существует слишком много других факторов, влияющих на результат. Согласно уже упомянутому мною «закону», две формы для льда никогда не будут идентичными. Они никогда не находятся в одном и том же месте при одной и той же температуре, и они не остывают с одной и той же скоростью (одна из них обязательно окажется ближе к охлаждающему элементу в морозилке). Более того, как вы сможете определить наверняка, в какой именно момент вода уже замерзла? Когда сверху появляется первая корочка льда? Ну так это еще не значит, что все содержание формы для льда уже заморожено. Слишком часто заглядывать и проверять тоже не получится, поскольку открывание дверцы морозильной камеры может вызвать потоки воздуха с непредсказуемыми траекториями, что также повлияет на темпы испарения.

И, что самое обидное, не потревоженная никем вода имеет противную привычку остывать до температуры ниже нуля, прежде чем замерзнуть (научно говоря, она переохлаждается). Она может отказаться замерзать, пока какое-то очень непредсказуемое влияние извне не потревожит ее (например, вибрация, пыль или царапина на внутренней поверхности контейнера с водой). Короче говоря, в этой гонке у вас очень размытая линия финиша. В науке не все так просто.

Какая вода быстрее замерзнет холодная или горячая. Горячая и холодная вода: секреты замерзания

Свойства воды не перестают удивлять ученых. Вода — довольно простое вещество с химической точки зрения, однако при этом она обладает рядом необычных свойств, которые не перестают удивлять ученых. Ниже предложены несколько фактов, о которых мало кто знает.

1. Какая вода замерзает быстрее — холодная или горячая?

Возьмем две емкости с водой: в одну нальем горячую, а в другую — холодную воду, и поместим их в морозильную камеру. Горячая вода замерзнет быстрее холодной, хотя по логике вещей, первой должна была превратиться в лед холодная вода: ведь горячей воде надо сначала остыть до температуры холодной, а потом уже превращаться в лед, в то время как холодной воде остывать не надо. Почему же так происходит?

В 1963 году один танзанский студент по имени Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba) замораживая приготовленную смесь для мороженого, заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним. К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.

Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.

Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.

2. Она способна замерзать мгновенно

Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C … за исключением некоторых случаев! Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания. Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.

Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.

Заметьте, что «сверхнагретая» вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.

3. 19 состояний воды

Не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды? Если вы ответили три: твердое, жидкое, газообразное, то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.

Помните разговор про сверхохлажденную воду? Так вот, что бы вы ни делали, при температуре -38 °C даже самая чистая сверхохлажденная вода внезапно превратится в лед. Что же произойдет при дальнейшем понижении температуры? При -120 °C с водой начинает происходить что-то странное: она становится сверхвязкой или тягучей, как патока, а при температуре ниже -135 °C она превращается в «стеклянную» или «стекловидную» воду – твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.

4. Вода удивляет физиков

На молекулярном уровне вода удивляет ещё больше. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, «видят» на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.

Оказалось, что на скорости одной аттосекунды (10 -18 секунд) имеет место необычный квантовый эффект, и химическая формула воды вместо h3O, становится h2.5O!

5. Память воды

Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды. Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием «память воды», согласно которой вода на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.

Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen’s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию. Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта «памяти воды». Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена «памяти воды» продолжаются.

Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в этой статье. Например, плотность воды меняется в зависимости от температуры (плотность льда меньше плотности воды)

вода обладает довольно большой величиной поверхностного натяжения

в жидком состоянии вода представляет собой сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров, и именно поведение кластеров влияет на структуру воды и т.д.

Об этих и о многих других неожиданных особенностях воды можно прочитать в статье «Аномальные свойства воды», автором которой является Мартин Чаплин, профессор Лондонского университета.

Но ответ на вопрос о том, какая вода замерзает быстрее — холодная или горячая — на улице в мороз, знает любой житель северных широт. По сути, по-научному, выходит, что в любом случае холодная вода просто обязана замерзнуть быстрее.

«Это не всемирная физика, а какая-то физика Мпембы»

С тех пор, кстати, вопрос о том, какая вода быстрее замерзает — горячая или холодная, имеет собственное название — эффект, или же парадокс, Мпембы.

Вопрос возникал давно

Естественно, что и раньше такой феномен имел место быть, и он был упомянут в работах других ученых. Не только школьник интересовался этим вопросом, но и свое время об этом думал Рене Декарт и даже Аристотель.

Вот только подходы к решению данного парадокса приступили искать только в конце двадцатого века.

Условия для того, чтобы произошел парадокс

Как и в случае с мороженым, не просто обычная вода замерзает в процессе эксперимента. Должны присутствовать определённые условия для того, чтобы начать спорить, какая вода замерзает быстрее — холодная или горячая. Что влияет на протекание данного процесса?

Сейчас, в 21 веке, выдвинуто несколько вариантов, которые могут объяснить даный парадокс. То, какая вода замерзает быстрее, горячая или холодная, может зависеть от того, что у имеется большая, чем у холодой, скорость испарения. Таким образом, уменьшается ее объем, а при уменьшении объема и время замерзания становится меньше, нежели если взять аналогичный изначальный объем холодной воды.

Давно размораживали морозилку

На то, какая вода замерзает быстрее, и почему это происходит, может повлиять снеговая подкладка, которая может иметь место в морозилке холодильника, используемого для эксперимента. Если взять два контейнера, идентичных по объему, но в одном из них будет горячая вода, а в другом — холодная, контейнер с горячей водой расплавит под собой снег, тем самым улучшая контакт теплового уровня со стенкой холодильника. Контейнер с холодной водой такого сделать не может. Если же таковой подкладки со снегом в холодильной камере нет, холодная вода должна замерзнуть быстрее.

Верх — внизу

Также явление того, какая вода быстрее замерзает — горячая или холодная, объясняется следующим образом. Следуя определенным законам, холодная вода замерзать начинает с верхних слоев, когда горячая делает это наоборот — начинает замерзать снизу вверх. При этом выходит, что холодная вода, имея сверху холодную прослойку с уже местами образовавшимся льдом, ухудшает себе таким образом процессы конвекции и теплового излучения, тем самым объясняется, какая вода замерзает быстрее — холодная или горячая. Фото с любительских экспериментов прилагается, и здесь это четко видно.

Тепло выходит наружу, стремясь вверх, а там встречается с очень охлажденным слоем. Свободного пути для теплоизлучения не имеется, потому процесс охлаждения становится затруднительным. Таких преград на своем пути абсолютно не имеет горячая вода. Какая замерзает быстрее — холодная или горячая, от чего зависит вероятный исход, можно расширить ответ тем, что любая вода имеет определенные вещества, растворенные в ней.

Примеси в составе воды как фактор, влияющий на исход

Группа из китайских ученых утверждает, что секрет данного эффекта состоит в количестве энергии, которая запасена между молекулами воды в ее связях, именуемых водородными.

Разгадка от китайских ученых

Далее последует информация, для понимания которой необходимо иметь некоторые знания в химии, чтобы разобраться в том, какая вода замерзает быстрее — горячая или холодная. Как известно, состоит из двух атомов Н (водорода) и одного атома О (кислорода), удерживаемых между собой ковалентными связями.

При этом стоит помнить, что в то же время молекулы воды действуют друг на друга отталкивающее. Ученые отметили, что при нагревании воды между ее молекулами увеличивается расстояние, и этому способствуют как раз отталкивающие силы. Получается так, что занимая одно расстояние между молекулами в холодном состоянии, можно сказать, растягиваются, и у них появляется больший запас энергии. Именно этот запас энергии высвобождается, когда молекулы воды начинают сближаться друг с другом, то есть, происходит охлаждение. Выходит, что больший запас энергии в горячей воде, и ее большее высвобождение при охлаждении до минусовых температур, происходит быстрее, чем в холодной воде, у которой запас такой энергии меньше. Так какая вода замерзает быстрее — холодная или горячая? На улице и в лаборатории должен происходить парадокс Мпембы, и горячая вода должна превращаться в лед быстрее.

Но вопрос все еще открыт

Существует лишь теоретическое подтверждение данной разгадки — все это написано красивыми формулами и кажется правдоподобным. Но вот когда данные экспериментов, какая вода быстрее замерзает — горячая или холодная, будут поставлены в практическом смысле, и их результаты будут представлены, тогда и можно будет считать вопрос парадокса Мпембы закрытым.

Эффект Мпембы
(Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.

Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое — вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: «Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом — 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?» Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале «Physics Education». С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы
.

До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах.

Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.

Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько объяснений эффекта Мпембы:

Испарение

Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100 С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0 С.

Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, снижается температура из-за того, что уменьшается теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара.

Разница температур

Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше — следовательно теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.

Переохлаждение

Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20 С.

Причина этому эффекту в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд.

Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда.

Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается происходит следующее. В этом случае тонкий слой льда будет образовываться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор между водой и холодным воздухом и будет препятствовать дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх.

Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда.

Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.

Конвекция

Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.

Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4 С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее.

В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры.

Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С.

Однако, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.

Растворённые в воде газы

Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.

Теплопроводность

Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.

Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос — какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы — так и не было получено.

Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание.

Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли.

Утверждать пока можно только одно — воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.

Здравствуйте, дорогие любители интересных фактов. Сегодня мы с вами поговорим про . Но я думаю, что вынесенный в заголовок вопрос может показаться попросту абсурдным — но всегда ли следует безраздельно доверяться пресловутому «здравому смыслу», а не строго поставленному проверочному опыту. Давайте попытаемся разобраться, почему горячая вода быстрее замерзает чем холодная?

Историческая справка

Что в вопросе с замораживанием холодной и горячей воды «не всё чисто» упоминалось ещё в трудах Аристотеля, затем подобного же рода заметки делали Ф.Бэкон, Р.Декарт и Дж.Блэк. В новейшей истории за данным эффектом закрепилось название «парадокс Мпембы» — по имени школьника из Танганьики Эрасто Мпембы, задавшего этот же вопрос заезжему профессору физики.

Вопрос мальчика возник не на пустом месте, а из сугубо личных наблюдений за процессом охлаждения смесей для мороженого на кухне. Разумеется, присутствовавшие там же одноклассники вместе со школьным учителем подняли Мпембу на смех — однако после экспериментальной проверки лично профессором Д.Осборном желание потешаться над Эрасто у них «испарилось». Более того, Мпембой совместно с профессором в 1969-ом году в Physics Education было опубликовано детальное описание этого эффекта — и с тех пор вышеупомянутое название закрепилось в научной литературе.

В чём суть явления?

Постановка опыта достаточно проста: при прочих равных условиях испытываются одинаковые тонкостенные сосуды, в них — строго равные количества воды, отличающиеся лишь температурой. Сосуды загружаются в холодильник, после чего засекается время до образования льда в каждом из них. Парадокс состоит в том, что в сосуде с изначально более горячей жидкостью это происходит быстрее.

Как это объясняет современная физика?

Универсального объяснения парадокс не имеет, поскольку совместно протекает несколько параллельных процессов, вклад которых может разниться от конкретных начальных условий — но с единообразным результатом:

способность жидкости к переохлаждению — изначально холодная вода более склонна к переохлаждению, т.е. остаётся жидкой тогда, когда её температура находится уже ниже точки замерзания
ускоренное охлаждение — пар от горячей воды трансформируется в микрокристаллики льда, которые при падении обратно ускоряют процесс, работая как дополнительный «внешний теплообменник»
эффект изоляции — в отличие от горячей, холодная вода замерзает сверху, что приводит к уменьшению теплоотдачи конвекцией и излучением

Имеется и ряд других объяснений (последний раз конкурс на лучшую гипотезу британское Королевское Химическое Общество проводило недавно, в 2012-ом) — но однозначной теории для всех случаев комбинаций входных условий не существует до сих пор…

Одним из моих самых любимых предметов в школе была химия. Как-то раз преподаватель химии дал нам очень странное и тяжелое задание. Он дал нам список вопросов, на которые мы должны были ответить с точки зрения химии. На это задание нам дали несколько дней и разрешили пользоваться библиотеками и другими доступными источниками информации. Один из этих вопросов касался температуры замерзания воды. Я точно не помню, как звучал вопрос, но речь шла о том, что если взять два деревянных ведра одинакового размера, одно с горячей водой, другое с холодной (с точно указанной температурой), и поместить их в среду с определенной температурой, какое из них замерзнет быстрее? Конечно сразу же напрашивался ответ – ведро с холодной водой, но нам показалось это слишком просто. Но этого было недостаточно, чтобы дать полный ответ, нам нужно было доказать это с химической точки зрения. Несмотря на все мои размышления и исследования, я не смог сделать логического вывода. В этот день я даже решил пропустить этот урок, поэтому я так и не узнал решение этой загадки.

Прошли годы, и я узнал много бытовых мифов про температуру кипения и замерзания воды, и один миф гласил: «горячая вода замерзает быстрее». Я просмотрел множество веб сайтов, но информация была слишком противоречивой. И это были всего лишь мнения, необоснованные с точки зрения науки. И я решился провести собственный опыт. Поскольку мне не удалось найти деревянные ведра, я использовал морозильную камеру, плиту, немного воды и цифровой термометр. О результатах моего опыта я расскажу немного позже. Вначале я поделюсь с вами некоторыми интересными доводами по поводу воды:

Горячая вода замерзает быстрее холодной. Большинство экспертов утверждают, что холодная вода замерзнет быстрее, чем горячая. Но одно забавное явлений (так называемый эффект Мемба), по непонятным причинам, доказывает обратное: Горячая вода замерзает быстрее холодной. Одним из нескольких объяснений является процесс испарения: если очень горячую воду поместить в холодную среду, то вода начнет испаряться (оставшееся количество воды замерзнет быстрее). И согласно законам химии это совсем не миф, и вероятнее всего именно это преподаватель хотел от нас услышать.

Кипяченая вода замерзает быстрее водопроводной воды. Несмотря на предыдущее объяснение, некоторые эксперты утверждают, что кипяченая вода, остывшая до комнатной температуры, должна замерзнуть быстрее, потому что в результате кипения сокращается количество кислорода.

Холодная вода закипает быстрее горячей воды. Если горячая вода замерзает быстрее, то, возможно, холодная вода быстрее закипает! Это противоречит здравому смыслу и ученые утверждают, что этого просто не может быть. Горячая вода с крана на самом деле должна закипать быстрее, чем холодная. Но, используя горячую воду для кипячения, вы не экономите энергию. Возможно вы и потратите меньше газа или света, но водонагреватель будет использовать то же количество энергии, которое необходимо для нагревания холодной воды. (С солнечной энергией дело обстоит немного иначе). В результате нагревания воды водонагревателем, может появиться осадок, поэтому вода будет нагреваться дольше.

Если в воду добавить соль, она закипит быстрее. Соль увеличивает температуру кипения (и соответственно понижает температуру замерзания – вот почему некоторые хозяйки добавляют в мороженное немного каменной соли). Но нас в данном случае интересует другой вопрос: как долго вода будет закипать и может ли температура кипения в этом случае подняться выше 100°C). Несмотря на то, что пишут в кулинарных книгах, ученые утверждают, что количество соли, которое мы добавляем в кипящую воду, недостаточно для того, чтобы повлиять на время или температуру кипения.

Но вот что получилось у меня:

Холодная вода: я использовал три стеклянных стакана по 100 мл очищенной воды: один стакан с комнатной температурой (72°F/22°C), один — с горячей водой (115°F/46°C), и один с кипяченой (212°F/100°C). Все три стакана я поместил в морозильную камеру при температуре –18°C. И поскольку я знал, что вода не сразу превратиться в лед, степень замораживания я определял по «деревянному поплавку». Когда палочка, помещенная в центр стакана, больше не касалась основания, я считал, что вода замерзла. Стаканы я проверял каждые пять минут. И каковы мои результаты? Вода в первом стакане замерзла через 50 минут. Горячая вода замерзла через 80 минут. Кипяченая – через 95 минут. Мои выводы: учитывая условия в морозильной камере и воду, которую я использовал, мне не удалось воспроизвести эффект Мемба.

Я также пробовал провести такой опыт с ранее кипяченой водой, остывшей до комнатной температуры. Она замерзла через 60 минут — все равно понадобилось больше времени, чем для замерзания холодной воды.

Кипяченная вода: я взял литр воды при комнатной температуре и поставил ее на огонь. Она закипела за 6 минут. Затем я снова ее охладил до комнатной температуры и добавил в ее в горячую. При таком же огне, горячая вода закипела за 4 часа и 30 минут. Вывод: как и ожидалось, горячая вода закипает значительно быстрее.

Кипяченная вода (с солью): я добавил 2 большие ложки столовой соли на 1 литр воды. Она закипела через 6 минут 33 секунды, и как показал термометр достигла температуры 102°C. Несомненно соль влияет на температуру кипения, но не сильно. Вывод: соль в воде не силбно влияет на температуру и время кипения.
Я честно признаю, что мою кухну тяжело назвать лабораторией, и возможно мои выводы противоречат действительности. Моя морозильная камера может неравномерно замораживать продукты. Мои стеклянные стаканы могли быть неправильной формы, И т.д. Но что бы не получилось в лабораторных условиях, когда речь идет о замораживании или кипячении воды на кухни, самое главное – это здравый смысл.

ссылочка с занимательными фактами о водевсе о воде
как подсказали на форуме forum.ixbt.com этот эффект (эффект замерзания горячей воды быстрее чем холодной) называется «эффект Аристотеля-Мпембы»

Т.е. быстрее замерзает кипяченая вода (охлажденная) нежели «сырая»

Какая вода быстрее замерзает горячая или холодная. Почему горячая вода замерзает быстрее чем холодная. Примеси в составе воды как фактор, влияющий на исход

Испарение

Разница температур

Переохлаждение

Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.

Конвекция

Растворённые в воде газы

Теплопроводность

Эффект Мпембы или почему горячая вода замерзает быстрее холодной?
Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.
Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.
Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое — вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.
После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: «Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом — 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?» Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале «Physics Education». С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.
До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах.
Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.
Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько объяснений эффекта Мпембы:
Испарение
Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100 С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0 С.
Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, снижается температура из-за того, что уменьшается теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара.
Разница температур
Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше — следовательно теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.
Переохлаждение
Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20 С.
Причина этого эффекта в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд.
Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда.
Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается происходит следующее. В этом случае тонкий слой льда будет образовываться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор между водой и холодным воздухом и будет препятствовать дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх.
Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда.
Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.
Конвекция
Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.
Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4 С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее.
В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры.
Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С.
Однако, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.
Растворённые в воде газы
Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.
Теплопроводность
Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.
Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос — какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы — так и не было получено.
Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание.
Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли.
Утверждать пока можно только одно — воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.
О. В. Мосин

Многими исследователями выдвигались и выдвигаются свои версии относительно того, почему горячая вода замерзает быстрее холодной. Казалось бы, парадокс – ведь для того, чтобы замёрзнуть, горячей воде для начала нужно остыть. Однако факт остаётся фактом, и учёные объясняют его по-разному.

На данный момент существуют несколько версий, которые объясняют данный факт:

Поскольку испарение в горячей воде происходит быстрее, её объем уменьшается. А замерзание меньшого количества воды той же температуры происходит быстрее.
Морозильная камера холодильника имеет снеговую прокладку. Контейнер, в котором содержится горячая вода, растапливает снег под собой. При этом улучшается тепловой контакт с морозилкой.
Замерзание холодной воды, в отличие от горячей, начинается сверху. При этом конвекция и теплоизлучение, а, следовательно, тепловая убыль ухудшаются.
В холодной воде имеются центры кристаллизации – растворенные в ней вещества. При небольшом их содержании в воде заледенение затруднено, хотя в то же время возможно её переохлаждение – когда при минусовой температуре она имеет жидкое состояние.

Хотя справедливости ради можно сказать, что данный эффект наблюдается не всегда. Очень часто замерзание холодной воды происходит быстрее, чем горячей.

При какой температуре вода замерзает

Почему вообще происходит замерзание воды? В её составе содержится определённое количество минеральных либо органических частиц. Это, например, могут быть очень мелкие частицы песка, пыли или глины. При снижении температуры воздуха эти частицы являются центрами, вокруг которых образовываются ледяные кристаллы.

Роль ядер кристаллизации могут также выполнять пузырьки воздуха и трещины в ёмкости, где содержится вода. На скорость процесса превращения воды в лёд во многом влияет количество таких центров – если их много, жидкость замерзает быстрее. При обычных условиях, с нормальным атмосферным давлением, вода переходит в твердое состояние из жидкого при температуре 0 градусов.

Суть эффекта Мпембы

Под эффектом Мпембы понимают парадокс, суть которого в том, что при определённых обстоятельствах горячая вода замерзает быстрее холодной. Этот феномен был замечен ещё Аристотелем и Декартом. Тем не менее только в 1963 году школьник из Танзании Эрасто Мпемба определил, что горячее мороженое замерзает за более короткое время, чем холодное. Такой вывод он сделал, выполняя задание по поварскому делу.

Он должен был растворить в закипевшем молоке сахар и, охладив его, поместить для замерзания в холодильник. Судя по всему, Мпемба особым усердием не отличался и первую часть задания начал выполнять с опозданием. Поэтому он не стал дожидаться остывания молока, и определил его в холодильник горячим. Он очень сильно удивился, когда оно замерзло ещё быстрее, чем у его одноклассников, которые выполняли работу в соответствии с заданной технологией.

Этот факт очень заинтересовал юношу, и он начал эксперименты с простой водой. В 1969 году журнал Physics Education опубликовал результаты исследований Мпембы и профессора Денниса Осборна из университета в Дар-Эс-Саламе. Описанному ими эффекту дали имя Мпембы. Однако и сегодня феномену нет чёткого объяснения. Все учёные сходятся во мнении, что основная роль принадлежит в этом отличиям свойств охлаждённой и горячей воды, однако каким именно – неизвестно.

Сингапурская версия

Физиков одного из сингапурских университетов также заинтересовал вопрос, какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная? Команда исследователей под руководством Си Чзана объяснила этот парадокс именно свойствами воды. Всем ещё со школьной скамьи известен состав воды – атом кислорода и два водородных атома. Кислород в некоторой мере оттягивает от водорода электроны, поэтому молекула являет собой определенного рода «магнит».

В итоге определённые молекулы в воде немного притягиваются между собой и объединяются связью водорода. Её прочность во много раз ниже ковалентной связи. Сингапурские исследователи считают, что объяснение парадокса Мпембы как раз в водородных связях. Если молекулы воды размещены между собой очень плотно, то такое сильное взаимодействие между молекулами способно деформировать ковалентную связь в середине самой молекулы.

А вот при нагревании воды связанные молекулы слегка удаляются друг от друга. В результате в середине молекул происходит релаксация ковалентных связей с отдачей лишней энергии и переходом на низший энергетический уровень. Это приводит к тому, что горячая вода начинает ускоренно охлаждаться. По крайней мере, так показывают теоретические расчеты, которые провели сингапурские учёные.

Моментальная заморозка воды – 5 невероятных трюков: Видео

Историческая справка

В чём суть явления?

Как это объясняет современная физика?

способность жидкости к переохлаждению — изначально холодная вода более склонна к переохлаждению, т.е. остаётся жидкой тогда, когда её температура находится уже ниже точки замерзания
ускоренное охлаждение — пар от горячей воды трансформируется в микрокристаллики льда, которые при падении обратно ускоряют процесс, работая как дополнительный «внешний теплообменник»
эффект изоляции — в отличие от горячей, холодная вода замерзает сверху, что приводит к уменьшению теплоотдачи конвекцией и излучением

Британское Королевское химическое общество предлагает награду в 1 тысячу фунтов стерлингов тому, кто сможет объяснить с научной точки зрения, почему в некоторых случаях горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

«Современная наука все еще не может ответить на этот простой на первый взгляд вопрос. Производители мороженого и бармены используют этот эффект в своей повседневной работе, но никто в действительности не знает, почему это работает. Эта проблема известна уже тысячелетия, такие философы, как Аристотель и Декарт размышляли о ней», — сказал президент Британского Королевского химического общества, профессор Дэвид Филипс, слова которого приводятся в пресс-релизе Общества.

Как поваренок из Африки победил британского профессора физики

Это не первоапрельская шутка, а суровая физическая реальность. Нынешняя наука, с легкостью оперирующая галактиками и черными дырами, строящая гигантские ускорители для поиска кварков и бозонов, не может пояснить, как «работает» элементарная вода. Школьный учебник однозначно утверждает, что для охлаждения более нагретого тела требуется больше времени, чем для охлаждения тела холодного. А вот для воды данный закон соблюдается не всегда. На этот парадокс обращал внимание еще Аристотель в 4 веке до н. э. Вот что писал древний грек в книге «Meteorologica I»: «Тот факт, что вода предварительно нагревается, способствует ее замерзанию. Поэтому многие люди, когда они хотят быстрей охладить горячую воду, сначала ставят ее на солнце…» В средние века данный феномен пытались объяснить Френсис Бэкон и Рене Декарт. Увы, это не удалось ни великим философам, ни многочисленным ученым, развивавшим классическую теплофизику, а посему о таком неудобном факте надолго «забыли».

И только в 1968 году «вспомнили» благодаря школьнику Эрасто Мпембе из далекой от всякой науки Танзании. Обучаясь в щколе поварского искусства, в 1963 году 13-летний Мпембе получил задание сделать мороженое. По технологии, надо было вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был усердным учеником и замешкался. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по всем правилам.

Когда Мпемба поделился своим открытием с учителем физики, тот поднял его на смех перед всем классом. Мпемба запомнил обиду. Через пять лет, уже будучи студентом университета в Дар-эс-Саламе, он оказался на лекции известного физика Дениса Г. Осборна. После лекции он задал ученому вопрос: «Если вы возьмете два одинаковых контейнера с равным количеством воды, один с температурой 35 °C (95 °F) , а другой — 100 °C (212 °F) , и поместите их в морозильник, то вода в горячем контейнере замерзнет быстрей. Почему?» Можете себе представить реакцию британского профессора на вопрос юноши из забытой Богом Танзании. Он высмеял студента. Однако Мпемба был готов к такому ответу и вызвал ученого на пари. Их спор завершился экспериментальной проверкой, подтвердившей правоту Мпембы и поражение Осборна. Так ученик-поваренок вписал свое имя в историю науки, и отныне этот феномен носит название «эффекта Мпембы». Отбросить его, объявить как бы «несуществующим» не получается. Явление существует, и, как писал поэт, «ни в зуб ногой».

Виноваты пылинки и растворенные вещества?

За прошедшие годы многие пытались разгадать тайну замерзающей воды. Был предложен целый букет объяснений этого явления: испарение, конвекция, влияние растворенных веществ — но ни один из этих факторов нельзя признать окончательным. Ряд ученых посвятил эффекту Мпемба всю жизнь. Сотрудник кафедры радиационной безопасности Государственного университета Нью-Йорка – Джеймс Браунридж (James Brownridge) – в свободное время занимается изучением парадокса вот уже на протяжении десятилетия. Проведя сотни экспериментов, учёный утверждает, что имеет доказательства «вины» переохлаждения. Браунридж объясняет, что при 0°С вода лишь переохлаждается, а замерзать начинает, когда температура опускается ниже. Точка замерзания регулируется находящимися в воде примесями — именно они изменяют скорость формирования кристалликов льда. Примеси, а это пылинки, бактерии и растворённые соли, имеют характерную для них температуру нуклеации, когда вокруг центров кристаллизации формируются кристаллики льда. Когда в воде находятся сразу несколько элементов, температура замерзания определяется тем из них, который имеет самую высокую температуру нуклеации.

Для опыта Браунридж взял две пробы воды одинаковой температуры и поместил их в морозильную камеру. Он обнаружил, что один из экземпляров всегда замерзает раньше другого – предположительно, из-за разного сочетания примесей.

Браунридж утверждает, что горячая вода остывает быстрее из-за большей разницы между температурами воды и морозильной камеры – это помогает ей достичь своей точки замерзания прежде, чем холодная вода достигнет своей естественной точки замерзания, которая ниже, по крайней мере, на 5° С.

Впрочем, рассуждения Браунриджа вызывают много вопросов. Поэтому у тех, кто сумеет по-своему объяснить эффект Мпембы, есть шанс побороться за тысячу фунтов стерлингов от Британского королевского химического общества.

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной?

Создано 07.09.2012 08:21

Автор: Анатолий Лемыш

Как поваренок из Африки победил британского профессора физики

Это не первоапрельская шутка, а суровая физическая реальность. Нынешняя наука, с легкостью оперирующая галактиками и черными дырами, строящая гигантские ускорители для поиска кварков и бозонов, не может пояснить, как «работает» элементарная вода. Школьный учебник однозначно утверждает, что для охлаждения более нагретого тела требуется больше времени, чем для охлаждения тела холодного. А вот для воды данный закон соблюдается не всегда. На этот парадокс обращал внимание еще Аристотель в 4 веке до н. э. Вот что писал древний грек в книге «Meteorologica I»: «Тот факт, что вода предварительно нагревается, способствует ее замерзанию. Поэтому многие люди, когда они хотят быстрей охладить горячую воду, сначала ставят ее на солнце …» В средние века данный феномен пытались объяснить Френсис Бэкон и Рене Декарт. Увы, это не удалось ни великим философам, ни многочисленным ученым, развивавшим классическую теплофизику, а посему о таком неудобном факте надолго «забыли».

Виноваты пылинки и растворенные вещества?

Источник: FacePla.net Автор: Анатолий Лемыш

Что случилось с этим: таинственный эффект, из-за которого горячая вода замерзает быстрее, чем холодная

Как это работает?

Эффект Мпембы вызывает серьезная царапина на голове. На протяжении многих лет ученые находили различные объяснения. Ни один из них не был полностью удовлетворительным.

Основное объяснение этого странного явления довольно простое. Горячая вода испаряется больше, чем холодная. Когда кипящая вода остывает, небольшая часть ее массы превращается в пар и улетает.Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная просто потому, что меньше ее должно превращаться в лед. Если вы когда-нибудь были на хоккейном матче и видели, как официальные лица разглаживают лед на катке, вы могли заметить, что они выливают на лед горячую, а не холодную воду, чтобы воспользоваться этим эффектом.

Итак, проблема решена? Не совсем. Хотя расчеты показали, что испарение может частично объяснять эффект Мпембы, это не может быть единственным механизмом. Сам Мпемба измерил массу воды, потерянную в результате испарения в своем первоначальном эксперименте, и обнаружил, что этого недостаточно для объяснения его результата.Также было выдвинуто несколько других идей, таких как растворенные газы, изменяющие точку замерзания воды или что окружающая вода может повлиять на результаты. Но большинство из них применимо только в ограниченном наборе случаев.

Еще одна интересная попытка объяснить эффект Мпембы была предпринята в октябре, когда группа исследователей предположила, что ответ кроется в странном химическом составе воды. Вы, наверное, знаете, что вода образуется из одного атома кислорода, ковалентно связанного с двумя атомами водорода (в ковалентных связях атомы имеют общий электрон).Поскольку кислород более электроотрицателен, он цепляется за общие электроны молекулы сильнее, чем водород, создавая небольшой положительный заряд на «ушах Микки Мауса» молекулы H ₂ O. Кислород от этого тоже получает небольшой отрицательный заряд. Водородные связи образуются между разными молекулами воды, когда положительные атомы водорода одной молекулы притягиваются к отрицательным атомам кислорода другой.

Водородные связи между молекулами воды.

Изображение: Qwerter / Wikipedia

Водородные связи ответственны за множество странных свойств воды, например, за то, что она становится менее плотной при замерзании.И они также могут объяснить эффект Мпембы. При повышении температуры молекулы воды естественным образом немного расширяются, удлиняя водородные связи. Вода находится внутри ограниченного объема, поэтому расширяющиеся водородные связи подталкивают ковалентные связи между водородом и кислородом отдельных молекул, заставляя их сжиматься и напрягаться, как пружина. Повышение температуры равносильно затяжке этой пружины. При температурах, близких к температуре кипения, пружина ковалентной связи была доведена до максимального сжатия, сохраняя большое количество энергии.Если вы заморозите воду в этом состоянии, пружина освободится, и энергия вырвется наружу. И когда вещи теряют энергию, они остывают.

Пружина с сильным сжатием отскакивает быстрее, чем пружина с меньшим сжатием. Точно так же ковалентная связь кипящей воды высвобождает свою энергию быстрее, чем энергия теплой воды, что потенциально объясняет, почему горячая вода может остывать быстрее, чем более холодная вода.

Это объяснение еще не было опубликовано в рецензируемом журнале и, хотя и интригует, не имеет сильной поддержки в научном сообществе.Когда мы разговаривали с химиком Ричардом Зэром из Стэнфордского университета, он не был убежден в его достоинствах и сказал, что, по его мнению, доминирующей силой является испарение.

Top Video: Дмитрий Клименский / Youtube

Изображение домашней страницы: Sharon Mollerus / Flickr

Это правда: горячая вода действительно может замерзнуть быстрее, чем холодная

Горячая вода действительно может замерзнуть быстрее, чем холодная вода, новое исследование находит. Иногда. В очень специфических условиях.С тщательно подобранными образцами воды.

Новые эксперименты подтверждают особый случай контринтуитивного эффекта Мпемба, при котором вода при более высокой температуре превращается в лед быстрее, чем более холодная вода.

Эффект Мпембы назван в честь танзанийского школьника Эрасто Б. Мпембы, который во время приготовления мороженого со своими одноклассниками заметил, что теплое молоко замерзает раньше, чем охлажденное. Мпемба и физик Денис Осборн опубликовали отчет о феномене в физическом образовании в 1969 году.Мпемба присоединился к группе выдающихся людей, которые также заметили этот эффект: Аристотель, Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт все сделали то же самое.

На первый взгляд кажется, что это противоречит здравому смыслу. Емкость с горячей водой должна превратиться в лед дольше, чем емкость с холодной водой, потому что у холодной воды есть преимущество в гонке до нуля градусов Цельсия.

Но под научным исследованием вопрос становится неясным. Новое исследование не объясняет это явление, но оно определяет особые условия, при которых эффект Мпембы может быть виден, если он действительно существует.

«В целом, работа — хорошее начало, но недостаточно систематическое, чтобы сделать больше, чем подтвердить, что это может произойти», — комментирует эксперт по воде Дэвид Ауэрбах, чьи собственные эксперименты также показывают, что эффект действительно имеет место.

Документы, опубликованные за последнее десятилетие, в том числе несколько работ Ауэрбаха, который проводил свое исследование в Институте исследований потока Макса Планка в Геттингене, Германия, задокументировали случаи, когда горячая вода замерзала быстрее, чем холодная, но не воспроизводимо, говорит автор исследования. Джеймс Браунридж из Государственного университета Нью-Йорка в Бингемтоне.«Никто не смог получить воспроизводимые результаты по команде».

Вот что сделал Браунридж. В одном из его экспериментов, представленных в Интернете, образец горячей воды неоднократно замораживался быстрее, чем аналогичный образец холодной воды.

Обратите внимание на слово похожее. Для того, чтобы эксперимент удался, холодная вода должна быть дистиллированной, а горячая вода должна поступать из-под крана.

В эксперименте около двух чайных ложек каждого образца помещали в медное устройство, которое полностью окружало воду, предотвращая испарение и устанавливая достаточно ровные температуры.Замерзание было официальным, когда датчики улавливали электрический сигнал, создаваемый образованием льда.

Браунридж нагревает водопроводную воду примерно до 100 ° C, а дистиллированную воду охлаждает до 25 ° C или ниже. Когда оба образца были помещены в морозильную камеру, горячая вода замерзла раньше, чем холодная. Затем Браунридж разморозил образцы и повторил эксперимент 27 раз. Каждый раз сначала замерзала горячая вода из-под крана.

Эксперимент удался, потому что два типа воды имеют разные точки замерзания, говорит Браунридж.Различия в форме, расположении и составе примесей могут привести к значительным колебаниям температуры замерзания воды, которая во многих случаях ниже нуля градусов Цельсия. При более высокой температуре замерзания край водопроводной воды перевешивал более низкую температуру дистиллированной воды.

Поскольку в эксперименте не сравнивались два идентичных образца воды, загадка эффекта Мпемба на самом деле не решена. «Я не настолько высокомерен, чтобы сказать, что решил эту проблему», — говорит Браунридж. Но он установил некоторые рекомендации относительно того, когда можно будет увидеть эффект.

Физико-химик Кристоф Зальцманн из Даремского университета в Англии говорит, что он не уверен, что эффект Мпембы действительно существует, потому что существует бесчисленное множество факторов, влияющих на время замораживания, что делает невозможным полный контроль.

Прогнозирование того, сколько времени потребуется для кристаллизации пробы воды, «похоже на попытку предсказать, когда произойдет следующее землетрясение или крах фондового рынка», — говорит он. «Я бы не сказал, что эффекта Мпембы не существует.Но я до сих пор не убедился в его существовании ».

Изображение: Kenn Wilson / flickr

Nerdfighteria Wiki — Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

[Музыкальное вступление Sci Show] [Майкл] Вот вам научная загадка — горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

Ответ … мы не знаем.

Вы, наверное, думаете, как мы можем не знать? Я имею в виду, у нас у всех есть вода, у большинства из нас есть морозильная камера. Это кажется довольно простым экспериментом.

Ну ты прав. Это. Это тоже не так.

Эксперимент проводили гениальные люди со всего мира. И в тех экспериментах иногда горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. А иногда это не так. И так или иначе, результаты эксперимента не воспроизводятся.

Наблюдение за тем, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, называется эффектом Мпембы. Он назван в честь Эрасто Мпембы, который заметил эффект в 1963 году, когда ему было всего 13 лет, и он вместе со своими одноклассниками готовил мороженое.

Он заметил, что смесь мороженого из горячего молока замерзает быстрее, чем смесь из холодного молока. Однако он не был первым, кто сделал это заявление.

Аристотель сказал то же самое в четвертом году до нашей эры, но, знаете ли, не о мороженом. Рене Декарт и Фрэнсис Бэкон также считали, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

Но ученые не уверены, что эффект Мпембы действительно существует.

Вот проблема — когда у вас есть два любых образца воды, это обычная водопроводная вода, одна из них ВСЕГДА замерзает первой.И это потому, что смесь примесей в воде будет немного другой.

Различия в составе, размере и положении этих примесей могут привести к изменению точки замерзания воды на несколько градусов. Горячая водопроводная вода замерзнет раньше, чем холодная дистиллированная, если вы контролируете все остальные условия, потому что из-за примесей в водопроводной воде она просто замерзает при более высокой температуре.

В этом случае сначала замерзнет горячая вода, но не потому, что она горячая.Если эффект Мпембы — вещь, а более теплая вода действительно замерзает быстрее, существует множество теорий, объясняющих, почему это может произойти.

Испарение — самый простой и, вероятно, лучший способ. Некоторая часть горячей воды испаряется при охлаждении, а это означает, что воды для замораживания становится меньше, поэтому на это уходит не так много времени.

Но эффект Мпембы наблюдался при использовании герметичных контейнеров, которые препятствовали утечке испарившейся воды. Другие исследователи, изучавшие эффект Мпембы, утверждают, что он связан с конвекционными потоками — способом, которым вода движется при нагревании.

Или ковалентные связи, или то, как горячая вода удерживает меньше растворенного газа, что, возможно, что-то делает … Они не совсем уверены.

Хотите проверить это сами? Залейте водой морозильную камеру и посмотрите, не заметите ли вы что-нибудь странное. Кто знает? Может быть, вы получите эффект, названный вашим именем.

Спасибо за вопрос и спасибо всем нашим посетителям на Patreon, которые продолжают получать эти ответы.

Если вы хотите задать вопросы, на которые нужно ответить, или получить эти быстрые вопросы на несколько дней раньше всех, перейдите на Patreon.com / scishow.

Не забудьте зайти на youtube.com/scishow и подписаться.

[Проигрывается музыкальная тема Научного шоу]

Почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная

изображение: Группа исследователей из Университета Карлоса III в Мадриде, Университета Эстремадура и Университета Севильи определила теоретическую основу, которая может объяснить эффект Мпембы, парадоксальное физическое явление, обнаруживаемое, когда горячая вода замерзает быстрее, чем холодная вода.
посмотреть еще

Кредит: UC3M

Исследователи, которые недавно опубликовали результаты в Physical Review Letters , подтвердили, как это явление происходит в гранулированных жидкостях, то есть тех, которые состоят из очень маленьких частиц и взаимодействуют с теми, которые теряют часть своей кинетической энергии. Благодаря этой теоретической характеристике, «мы можем моделировать на компьютере и проводить аналитические расчеты, чтобы знать, как и когда произойдет эффект Мпембы», — сказал Антонио Ласанта.Ласанта из Института моделирования и симуляции жидкостей, нанонауки и промышленной математики при Университете Грегорио Миллана Барбани (UC3M). «Фактически, — сказал он, — мы обнаруживаем не только то, что самые горячие могут охлаждаться быстрее, но также и обратный эффект: самые холодные могут нагреваться быстрее, что можно было бы назвать обратным эффектом Мпембы».

Тот факт, что предварительно нагретые жидкости замерзают быстрее, чем уже остывшие, впервые наблюдал Аристотель в 4 веке нашей эры. Фрэнсис Бэкон, отец научного эмпиризма, и Рене Декарт, французский философ, также интересовались этим явлением, которое стало теорией, когда в 1960 году танзанийский студент по имени Эрасто Мпемба объяснил своему учителю в классе, что самая горячая смесь мороженого замерзало быстрее, чем холодное.Этот анекдот вдохновил на создание технического документа по данному предмету, и эффект стал анализироваться в образовательных и научных журналах. Однако его причины и последствия до сих пор практически не изучены.

«Исторически сложилось так, что этот эффект не рассматривался строго, а просто как аномалия и дидактическое любопытство», — сказал Антонио Прадос, один из исследователей из отдела теоретической физики Университета Севильи. «С нашей точки зрения, было важно изучить его в системе с минимальным количеством ингредиентов, чтобы иметь возможность контролировать и понимать его поведение», — сказал он.Это позволило им понять, в каких сценариях легче происходить, что является одним из основных вкладов этого научного исследования. «Благодаря этому мы определили некоторые из ингредиентов, так что эффект возникает в некоторых физических системах, которые мы можем хорошо описать теоретически», — заявили исследователь Франсиско Вега Рейес и Андрес Сантос из Universidad de Extremadura Instituto de Computación Científica Avanzada (Институт передовых научных вычислений).

«Сценарий, в котором эффект будет наиболее легко проявиться, — это когда скорости частиц перед нагреванием или охлаждением имеют определенное расположение — например, с высокой дисперсией вокруг среднего значения», — сказал он.Таким образом, на изменение температуры жидкости можно существенно повлиять, если состояние частиц подготовлено перед охлаждением.

Это исследование «фундаментальной науки», помимо вклада в улучшение фундаментальных знаний, может иметь другие приложения в среднесрочной или долгосрочной перспективе. Фактически, эта группа исследователей планирует провести эксперимент, подтверждающий теорию. Ученые считают, что обучение подражанию и использованию этого эффекта может найти применение в нашей повседневной жизни.Например, его можно использовать для изготовления электронных устройств, которые мы хотим быстрее охладить.

###

Видео (испанские и английские субтитры): https://youtu.be/esHynYASgeY

Журнал

Письма о физической проверке

Заявление об ограничении ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

№ 2100 Эффект Мпемба

Сегодня еще раз взглянем на старую претензию. В
Инженерный колледж Хьюстонского университета представляет серию статей о
машины, которые заставляют нашу цивилизацию работать, и люди, чья изобретательность создала их.

«Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная».
Сколько раз вы это слышали, и правда ли это? Вода начинает только замерзать
после того, как его температура упадет до точки замерзания.Тогда его огромный скрытый жар
необходимо удалить при этой температуре. Начинать с горячей воды означает только
нужно отвести немного больше тепла.

Но поток тепла из теплого места в холодное подобен потоку электричества.
Это зависит от сопротивления. Нить накала в вашей лампочке имеет очень высокое сопротивление,
Таким образом, 110 вольт пропускают через него ток силой примерно один ампер.

Чтобы увидеть, как сопротивление тепловому потоку воды в лотке для кубиков льда, помогает разбить
сопротивление на две части, внутреннюю и внешнюю — от воды до металла
лоток, а с металлического лотка — на охлаждаемую полку холодильника.

Запуск с горячей водой может повлиять на оба. Сначала подумайте о внутреннем сопротивлении:
Замерзание начинается с образования усов льда по краям воды. Они могут изначально
образуют слой изоляции и замедляют отвод тепла от основной части воды. Но если
вода горячая, возникают конвекционные токи. Они могут смести этот первый лед
кристаллы и быстрее нагреть всю воду до температуры замерзания.

Если вода, которую мы называем «жесткой», с растворенным в ней бикарбонатом кальция и магния
это происходит что-то еще.Эти компоненты лишь незначительно снижают температуру замерзания.
Но по мере замораживания их концентрация в оставшейся воде увеличивается, и
температура замерзания действительно падает. Если мы предварительно нагреем воду, мы вытесним эти компоненты
раствора и оставьте их в чайнике.

Заметьте, я выдал свой возраст минуту назад, когда говорил о лотках для льда. Современные холодильники
их больше нет. Мы много слышали о том, что горячая вода замерзает быстрее, когда мы использовали лед.
подносы.Это из-за воздействия горячей воды на внешнее сопротивление. Сдвиньте поднос с
горячей воды на морозную полку, и иней сразу тает. Это убирает огромную
сопротивление охлаждению, и оно может заглушить все остальные эффекты.

Но за всем этим разговором стоит так мало реальных исследований. Я бы не хотел пытаться найти
полный ответ без гранта на несколько сотен тысяч долларов. (И как плохо
Мне правда нужен полный ответ?)

В 1960-х ученик средней школы Танзании Эрасто Мпемба написал статью о влиянии
предварительный нагрев при замораживании.Он заметил это странное поведение, когда делал мороженое в
кулинарный мастер-класс. Теперь поговорим об эффекте Мпемба, , хотя он был известен.
со времен Аристотеля.

Что ж, полагаю, теперь я получу почту, когда поднял эту горячо обсуждаемую тему. Тем временем,
Я оставляю вас перед похожей загадкой, которую так же сложно разгадать: мне подали чашку горячего кофе.
что я не буду пить, пока не закончу ужин. Я хочу, чтобы оно было горячим, когда я его пью.Нужно ли мне
положить прохладный крем сейчас? Или мне подождать, пока я буду готов выпить кофе?

Я Джон Линхард из Хьюстонского университета,
где нас интересуют изобретательные умы
Работа.

(Музыкальная тема)

Поищите Mpemba Effect в Интернете, и вы получите много материала.Недавнюю статью на эту тему см .: М. Чоун, Почему вода замерзает быстрее после
Обогрев. New Scientist, 3 июня 2006 г., стр. 10.
Подробнее о термическом сопротивлении. Подробнее о световом и тепловом излучении см .: J. H. Lienhard IV и J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook , 5-е изд., Dover Pubs. Inc., Минеола, Нью-Йорк, 2019. Вы можете легко скачать всю книгу бесплатно по адресу https://ahtt.mit.edu/
См. Особенно главу 2.
(фото JHL)
Двигатели нашей изобретательности
Авторские права © 1988-2006, Джон Х.
Линхард.
Действительно ли горячая вода замерзает быстрее холодной?
Да, горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная. Однако это не всегда происходит, и наука не объяснила точно , почему это может произойти.
Ключевые выводы: температура воды и скорость замерзания
Иногда горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.Это называется эффектом Мпембы по имени ученика, который его наблюдал.
Факторы, которые могут вызвать более быстрое замерзание горячей воды, включают охлаждение испарением, меньшую вероятность переохлаждения, низкую концентрацию растворенных газов и конвекцию.
Быстрее замерзнет горячая или холодная вода, зависит от конкретных условий.
Эффект Мпембы
Хотя Аристотель, Бэкон и Декарт все описывали, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная вода, этому понятию в основном сопротивлялись до 1960-х годов, когда старшеклассник по имени Мпемба заметил, что смесь горячего мороженого, помещенная в морозильную камеру, замерзает раньше, чем мороженое. смесь, которая была охлаждена до комнатной температуры перед помещением в морозильную камеру.Мпемба повторил свой эксперимент с водой, а не со смесью мороженого, и обнаружил тот же результат: горячая вода замерзает быстрее, чем более холодная. Когда Мпемба попросил своего учителя физики объяснить наблюдения, учитель сказал Мпембе, что его данные должны быть ошибочными, потому что это явление невозможно.
Мпемба задал приглашенный профессор физики, доктор Осборн, тот же вопрос. Этот профессор ответил, что не знает, но он опробует эксперимент. Доктор Осборн поручил лаборанту провести тест Мпембы.Лаборант сообщил, что он продублировал результат Мпембы: «Но мы продолжим повторять эксперимент, пока не получим правильный результат». (Гм … да … это был бы пример плохой науки.) Что ж, данные были данными, поэтому, когда эксперимент был повторен, он продолжал давать тот же результат. В 1969 году Осборн и Мпемба опубликовали результаты своих исследований. Явление, при котором горячая вода может замерзать быстрее, чем холодная, иногда называют эффектом Мпембы.
Почему горячая вода иногда замерзает быстрее, чем холодная
Нет однозначного объяснения того, почему горячая вода может замерзать быстрее, чем холодная.В зависимости от условий вступают в действие разные механизмы. Основными факторами являются:
Испарение : испаряется больше горячей воды, чем холодной, что снижает количество воды, остающейся для замораживания. Измерения массы заставляют нас думать, что это важный фактор при охлаждении воды в открытых контейнерах, хотя это не тот механизм, который объясняет, как эффект Мпемба возникает в закрытых контейнерах.
Переохлаждение : Горячая вода имеет меньший эффект переохлаждения, чем холодная вода.Когда он был переохлажден, он может оставаться жидкостью до тех пор, пока его не потревожат, даже значительно ниже его нормальной температуры замерзания. Вода, которая не переохлаждена, с большей вероятностью станет твердой, когда достигнет точки замерзания воды.
Конвекция : При охлаждении в воде возникают конвекционные потоки. Плотность воды обычно уменьшается с повышением температуры, поэтому емкость с охлаждающей водой обычно теплее наверху, чем на дне. Если мы предположим, что вода теряет большую часть своего тепла по своей поверхности (что может быть или не быть правдой, в зависимости от условий), тогда вода с более горячей верхней частью потеряет тепло и замерзнет быстрее, чем вода с более холодной верхней частью.
Растворенные газы : Горячая вода имеет меньшую способность удерживать растворенные газы, чем холодная вода, что может повлиять на скорость ее замерзания.
Влияние окружающей среды : Разница между начальными температурами двух емкостей с водой может повлиять на окружающую среду, что может повлиять на скорость охлаждения. Одним из примеров может служить таяние теплой воды ранее существовавшего слоя изморози, что обеспечивает лучшую скорость охлаждения.
Проверьте себя
Не верьте мне на слово! Если вы сомневаетесь, что горячая вода иногда замерзает быстрее, чем холодная, проверьте это на себе.Имейте в виду, что эффект Мпембы не будет заметен для всех условий эксперимента, поэтому вам может потребоваться поиграть с размером образца воды и охлаждающей воды (или попробовать приготовить мороженое в морозильной камере, если вы примете это как демонстрация эффекта).
Источники
Burridge, Henry C .; Линден, Пол Ф. (2016). «Под сомнение эффект Мпембы: горячая вода не остывает быстрее, чем холодная». Научные отчеты . 6: 37665. DOI: 10.1038 / srep37665
Тао, Юнвэнь; Цзоу, Венли; Цзя, Цзюнтэн; Ли, Вэй; Кремер, Дитер (2017).«Различные способы водородной связи в воде — почему теплая вода замерзает быстрее, чем холодная?». Журнал химической теории и вычислений . 13 (1): 55–76. DOI: 10.1021 / acs.jctc.6b00735
Почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?
Звучит совершенно нелогично: горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. В этом нет никакого смысла. Если у вас есть горячая и холодная вода, то вам нужно охладить горячую воду или , чтобы заморозить ее.А так как горячую воду нужно охладить больше, она должна замерзнуть дольше, чем холодная. Но это просто не так.
Еще в 4 веке до нашей эры человечество осознало, что в определенных ситуациях горячей воде на самом деле требуется меньше времени, чтобы замерзнуть, чем холодной. Некоторые из величайших мыслителей задумались над решением этой великой головоломки: Аристотель, Рене Декарт и Фрэнсис Бэкон, и это лишь некоторые из них.
Итак, каков окончательный ответ?
Ну, как оказалось, окончательного ответа нет.Но это не значит, что ответа нет; скорее, мы знаем о трех. Идеи возникли в основном из работ молодого Эрасто Мпембы, который утверждал, что мороженое замерзнет быстрее, если его сначала слегка нагреть. Так оно и было. С тех пор это странное явление стало известно как «эффект Мпемба».
Ученые считают, что это как-то связано с инеем, растворенными газами и испарением.
Изображение с SourceFed
Во-первых, у большинства из нас немного иней в морозильных камерах, и, как оказалось, мороз плохо проводит тепло.Он просто не переносит горячее на холодное и холодное на горячее, а также другие вещества. Однако, когда мы помещаем кастрюлю с горячей водой в морозильную камеру, она растапливает иней, на который она ставится, превращая ее в воду. Эта вода более эффективно проводит тепло, а также может привести к тому, что контейнер будет находиться в прямом контакте с полкой морозильной камеры (которая, как правило, холоднее, чем покрывающий ее иней).
В результате горячая вода остывает быстрее, потому что она способна растопить иней, а холодная вода — нет.
Во-вторых, горячая вода может удерживать меньше растворенного газа, чем холодная вода. По этой причине в горячей воде могут возникать конвекционные потоки легче, чем в холодной. Если вам интересно, конвекционный ток возникает из-за того, что горячие жидкости поднимаются, а холодные опускаются. В результате этого движения создаются токи, и эти токи увеличивают скорость, с которой взаимодействуют холодное и горячее, увеличивая скорость охлаждения.
Демонстрация конвекционного течения в океане. Изображение с сайта World Ocean Review
В-третьих, в зависимости от того, как вы проводите этот эксперимент, может иметь место испарение.Если перед нагреванием какой-либо воды вы отмеряли равное количество воды (одно для охлаждения, а другое для нагрева), когда вы, наконец, нагреете воду, часть ее испарится. Это испарение приводит к уменьшению количества горячей воды. И в результате он быстрее остывает, потому что его меньше.
В конце концов, не существует единого механизма, объясняющего этот процесс, поскольку разные механизмы вступают в действие в разное время, в зависимости от обстоятельств. Тем не менее, есть еще кое-что.Буквально. Маленький. Для этого нам нужно перейти к масштабу очень крошечного: атомы.
Эта теория еще не подтверждена, поэтому она приводится в конце.