Какая вода испаряется быстрее теплая горячая холодная: холодная, горячая или теплая? обоснуйте окр мир — Знания.site

Какая вода испаряется быстрее теплая горячая холодная: холодная, горячая или теплая? обоснуйте окр мир — Знания.site

Содержание

холодная, горячая или теплая? Обоснуйте окр мир

Нашла в Интеренете (см. вложение)

 

Цепь питания в водной среде, возможно, поможет 🙂

Постать Степана Радченка — неоднозначна, сповнена протиріч. В. Підмогильний здійснив справжню спробу «розтину людської душі», реалістично показавши свого героя у пошуках місця під сонцем. У наївного сільського парубка, який при їхав здобувати освіту до великого міста, замість захоплення творінням людського розуму виникають почуття ворожі не лише до творіння з каменю й бетону, але й до його мешканців. Не знаючи ще законів міського життя, він уже ненавидить містян, називаючи їх старим порохом, який треба стерти. Страх чи розгубленість селюка перед великим містом навряд чи можуть виправдати його зверхнє ставлення до мешканців міста. Однак яким би не було його зневажливе ставлення до міста, з перших сторінок стає зрозумілим, шо Степан, здобувши освіту, вже ніколи не повернеться до села. Адже він і село своє не любить, бо для нього воно є уособленням всього темного, низького, затурканого. Щоб остаточно відмовитись від нього, від минулого, він здійснює символічний акт спалення старого одягу. І новий одяг не приносить духовного перевтілення, нового плину думок…Новою метою Радченка стає завоювання міста, яке асоціюється у нього із жінкою. Починається шлях від однієї перемоги до іншої. З підвищенням соціального статусу герой змінює жінок, що стають знаками його зростання: від темної селянки Надійки до блискучої, впевненої в собі балерини Рити Оригінальність автора полягає в тому, що він не змальовує традиційно для української літератури позитивного героя, у моральному плані вчинки Радченка доволі провокаційні. Інколи його слова і дії викликають відверте роздратування і весь час переслідує думка: не з таким моральним та інтелектуальним багажем слід підкоряти міста!

По́стер (англ. poster — «афиша, объявление, плакат»): Постер — художественно оформленный плакат, используемый для рекламных или декоративных целей (чаще с изображением актера, музыканта, спортсмена).
Примеры эргономичной мебели и эргономичности пространства — это встроенные гардеробы, шкафы-купе, кровати-трансформеры и многое другое.Жизнь огромного количества современных людей проходит в офисах или кабинетах.

Муравей,комар,божья коровка,жук,бабочка,стрекоза,пчела,муха,кузнечик.

Эффект Мпембы | Статья в журнале «Юный ученый»


 


Многие люди считают, что открытие какого-либо научного явления является результатом долгих и тщательных экспериментов, исследований, проводимых учёными. Но это не всегда так. Случается, что какое-либо явление сперва устанавливают и только потом начинают искать объяснение. Порой даже бывает, что эффект открывают простые люди, при этом совершенно случайно для себя, а учёные, узнавая об этом, долго не могут найти объяснение. Примером такого случая может служить эффект Мпембы, открытый обычным танзанийским школьником, выполнявшим практическую работу по кулинарному делу. Он обнаружил, что горячее молоко застыло в холодильнике быстрее холодного. В дальнейшем он провёл ряд опытов, в том числе и с водой, подтвердивших данный феномен. Спустя некоторое время он обратился за разъяснениями к профессору Деннису Осборну, приглашённому читать лекцию по физике. Осборн заинтересовался этим эффектом, и вскоре вместе с Мпембой выпустил статью в журнале «Physics Education» с результатами своих исследований. С тех пор этот эффект стали называть эффектом Мпембы.


И в самом деле, почему же горячая вода замерзает быстрее холодной, ведь это противоречит первому закону термодинамики? Как говорится, сколько людей, столько и мнений. Вот и разные учёные объясняют этот эффект по-разному.


Объяснение 1: Разница температур воды и окружающей среды


Так как разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше, чем разница между тем же воздухом и холодной водой, теплообмен с горячей водой идёт интенсивнее, следовательно, она быстрее охлаждается.


Объяснение 2: Испарение


Горячая вода испаряется быстрее холодной, из чего следуют сразу две вещи: во-первых, испаряясь, вода уменьшает свой объём, а чем меньше объём, тем быстрее он замерзает/нагревается. А во-вторых, испарение способствует более скорой отдаче тепла, то есть температура понижается быстрее.


Объяснение 3: Растворённые в воде газы


В воде содержатся растворённые газы — кислород и углекислый газ. Эти газы уменьшают точку замерзания воды. При нагревании, газы выделяются из воды, поскольку их растворимость с повышением температуры воды падает. Поэтому в охлаждаемой горячей воде меньше растворённых газов, чем в холодной. Из-за этого точка замерзания горячей воды будет выше, то есть она замёрзнет быстрее.


Объяснение 4: Переохлаждение


Охлаждаясь до 0°, вода не всегда замерзает. Иногда она может оставаться в жидком состоянии при температурах гораздо ниже точки замерзания (в некоторых случаях даже при -20°C). Причина в том, что для образования первых кристаллов льда нужны центры кристаллообразования. Если же в воде их нет, она будет оставаться жидкой до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут образовываться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они станут расти быстрее, образовывая лёд. Переохлаждению больше всего подвержена горячая вода, поскольку в процессе нагревания из неё выходят растворённые газы и пузырьки, служащие центрами кристаллообразования. Холодная вода подвержена переохлаждению в значительно меньшей степени, поэтому при её замерзании на поверхности начинает образовываться слой льда, препятствующий дальнейшему испарению. В этом случае скорость формирования кристаллов льда будет меньше. В случае же с горячей водой, переохлаждённая, она не будет иметь слоя льда на поверхности, продолжая терять тепло, испаряясь через открытый верх. А когда процесс переохлаждения заканчивается, и вода начинает замерзать, теряется больше тепла, вследствие чего формируется больше льда.


Объяснение 5: Теплопроводность


Это объяснение имеет место быть, когда вода помещается в морозильную камеру в контейнерах. Контейнер с горячей водой протаивает под собой наледь, тем самым улучшая контакт со стенкой морозилки, а значит и теплопроводность. Поэтому тепло от него отводится быстрее, чем от контейнера с холодной водой, который наледь под собой не протаивает.


Объяснение 6: Конвекция


Холодная вода начинает замерзать сверху, что ухудшает процессы конвекции и теплоизлучения. Горячая же вода начинает замерзать снизу, что объясняется аномалией плотности воды. Максимальную плотность вода имеет при температуре 4°C. Если охладить её до этой температуры и поместить в морозилку, где температура ниже, поверхность воды замёрзнет быстрее. Так как замёрзшая вода будет иметь меньшую плотность, чем вода при 4°C, она останется на поверхности, формируя слой льда, который будет служить изолятором между водой и воздухом, замедляя дальнейший процесс охлаждения. В случае с горячей водой, поверхностный слой охладится быстрее, по причине испарения и большей разности температур. Но слои холодной воды будут иметь большую плотность по сравнению с горячей водой, поэтому они станут опускаться, поднимая тёплые слои на поверхность. Такая циркуляция воды будет обеспечивать более быструю потерю тепла, а значит и более быстрое замерзание.


Объяснение 7: Водородные связи


Это объяснение было выдвинуто учёными-химиками из Сингапура. Атомы водорода в молекулах воды притягиваются к атомам кислорода из соседних молекул, образуя при этом водородные связи. В то же время, молекулы воды отталкиваются друг от друга. И чем теплее вода, тем сильнее отталкивающие силы. В результате этого водородные связи растягиваются и запасают большее количество энергии. В процессе охлаждения молекулы сближаются, и энергия высвобождается. Получается, что горячая вода отдаёт больше энергии, чем холодная, а значит и быстрее замерзает.


На сегодняшний день это все существующие объяснения эффекта Мпембы. Но какое у него может быть практическое применение? Так, катки заливают именно горячей водой, чтобы она быстрее превратилась в лёд. Так же поступают и при создании зимой ледяных горок для детей. К тому же, автомобилисты заливают зимой в бачок стеклоомывателя холодную воду как раз потому, что исходя из эффекта Мпембы она замёрзнет медленнее горячей. Кроме того, существует ещё и обратный эффект Мпембы, который гласит, что холодная вода закипает быстрее горячей. Поэтому, чтобы чайник быстрее закипел, разумнее будет налить в него холодную воду.


 


Литература:


 


  1.                Перышкин А. В. Физика 8 класс.

  2.                https://masterok.livejournal.com/4160759.html

  3.                https://www. nature.com/articles/srep37665

  4.                https://nsportal.ru/shkola/fizika/library/2016/05/30/nauchno-prakticheskaya-konferentsiya-zagadochnyy-effekt-mpemby

Испарение и конденсация воды. Несколько практических советов

Вода – одно из самых распространенных и вместе с тем самое удивительное вещество на Земле. Вода находится повсюду: и вокруг нас, и внутри нас. Мировой океан, состоящий из воды, покрывает ¾ поверхности земного шара. Любой живой организм, будь то растение, животное или человек, содержит воду. Человек более чем на 70% состоит из воды. Именно вода – одна из главнейших причин возникновения жизни на Земле. Как и любое вещество, вода может находиться в различных состояниях или, как говорят физики, ‑ агрегатных состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. При этом постоянно происходят переходы из одного состояния в другое – так называемые фазовые переходы. Одним из таких переходов является испарение, обратный процесс называется конденсацией. Давайте попробуем разобраться, как можно использовать это физическое явление, и что нужно знать об этом.

В процессе испарения вода переходит из жидкого состояния в газообразное, при этом образуется водяной пар. Это происходит при любой температуре, когда вода находится в жидком состоянии (00 – 1000С). Однако скорость испарения не всегда одинаковая и зависит от ряда факторов: от температуры воды, от площади поверхности воды, от влажности воздуха и от наличия ветра. Чем выше температура воды, тем быстрее двигаются ее молекулы и тем интенсивнее происходит испарение. Чем больше площадь поверхности воды, а испарение происходит исключительно на поверхности, тем больше молекул воды смогут перейти из жидкого состояния в газообразное, что увеличит скорость испарения. Чем больше содержание водяных паров в воздухе, то есть чем выше влажность воздуха, тем менее интенсивно происходит испарение. Кроме того, чем больше скорость удаления молекул водяного пара от поверхности воды, то есть чем больше скорость ветра, тем больше скорость испарения воды. Также следует отметить, что в процессе испарения воду покидают самые быстрые молекулы, поэтому средняя скорость молекул, а, значит, и температура воды уменьшаются.

Учитывая описанные закономерности, важно обратить внимание на следующее. Очень горячий чай пить не безвредно. Однако чтобы его заварить, требуется вода с температурой, близкой к температуре кипения (1000С). При этом вода активно испаряется: над чашкой с чаем хорошо видны поднимающиеся струйки водяного пара. Чтобы быстро охладить чай и сделать чаепитие комфортным, нужно увеличить скорость испарения, и охлаждение чая произойдет существенно быстрее. Первый способ известен всем с детства: если подуть на чай и тем самым удалить молекулы водяного пара и нагретый воздух от поверхности, то скорость испарения и теплопередачи увеличится, и чай быстрее остынет. Второй способ часто использовали в старину: переливали чай из чашки в блюдце и тем самым увеличивали площадь поверхности в несколько раз, пропорционально увеличивая скорость испарения и теплопередачи, благодаря чему чай быстро остывал до комфортной температуры.

Охлаждение воды при испарении хорошо ощущается, когда летом выходишь из открытого водоема после купания. С влажной кожей находиться прохладнее. Поэтому чтобы не переохладиться и не заболеть, нужно обтереться полотенцем, тем самым остановить охлаждение, вызванное испарением воды. Однако это свойство воды – охлаждаться при испарении – иногда полезно использовать для того, чтобы немного понизить высокую температуру заболевшему человеку и тем самым облегчить его самочувствие при помощи компрессов или обтираний.

При конденсации вода из газообразного состояния переходит в жидкое с выделением тепловой энергии. Это важно помнить, находясь вблизи кипящего чайника. Струя водяного пара, выходящая из его носика, имеет высокую температуру (около 1000С). Кроме того, соприкасаясь с кожей человека, водяной пар конденсируется, тем самым увеличивая неблагоприятное термическое воздействие, что может привести к болезненным ожогам.

Также полезно знать, что в воздухе всегда содержится какое-то количество водяных паров. И чем выше температура воздуха, тем больше водяных паров может быть в атмосфере. Поэтому летом при заметном понижении температуры в ночное время часть водяных паров конденсируется и выпадает в виде росы. Если утром пройти босиком по траве, то она будет влажной и холодной на ощупь, так как уже активно испаряется благодаря утреннему солнцу. Похожая ситуация происходит, если зимой войти с улицы в теплое помещение в очках, ‑ очки будут запотевать, так как водяные пары, находящиеся в воздухе, будут конденсироваться на холодной поверхности стекол. Чтобы это предотвратить, можно воспользоваться обычным мылом и нанести на стеклах сетку с шагом около 1 см, а затем растереть мыло мягкой тканью, не спеша и не сильно нажимая. Стекла очков покроются тонкой невидимой пленкой и не будут запотевать.

Водяной пар, находящийся в воздухе, можно с большой точностью считать идеальным газом и рассчитывать параметры его состояния при помощи уравнения Менделеева-Клапейрона. Предположим, что температура воздуха днем при нормальном атмосферном давлении составляет 300С, а влажность воздуха 50%. Найдем, до какой температуры должен охладиться воздух ночью, чтобы выпала роса. При этом будем считать, что содержание (плотность) водяных паров в воздухе не изменялось.

Плотность насыщенного водяного пара при 300С равна 30,4 г/м3 (табличное значение). Так как влажность воздуха 50%, то плотность водяных паров составляет 0,5·30,4 г/м3 = 15,2 г/м3. Роса выпадет, если при некоторой температуре эта плотность будет равна плотности насыщенного водяного пара. Согласно табличным данным это наступит при температуре примерно 180С. То есть, если ночью температура воздуха опустится ниже 180С, то выпадет роса.

По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу:

В закрытой банке объемом 2 л находится воздух, влажность которого составляет 80%, а температура 250С. Банку поставили в холодильник, внутри которого температура 60С. Какая масса воды выпадет в виде росы после наступления теплового равновесия.

Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы

Почему Горячая Вода Замерзает Быстрее, Чем Холодная?

На протяжении многих лет многие ученые ломали голову над нелогичным наблюдением: горячая вода, по некоторым причинам, кажется, замерзает быстрее, чем холодная вода. Этот феномен был объяснен студентом из Танзании Мпемба, когда заметил, что его теплая смесь для мороженого замерзла быстрее, чем холодная.

Позже команда физиков во главе с Си Чжаном обнаружила, что причина этого эффекта заключается в ковалентной связи, присутствующей в воде. Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода, ковалентно связанных с одним атомом кислорода. Те связи, которые включают атомы, разделяющие электроны, хорошо понятны. Как показано на рисунке ниже:

Но отдельные молекулы воды также связаны друг с другом более слабыми силами, создаваемыми водородными связями. Они происходят, когда атом водорода из одной молекулы воды находится рядом с атомом кислорода от другой, и они дают начало многим интересным свойствам воды, таким как ее странно высокая температура кипения. Те же самые связи вызывают эффект Мпембы. Идея довольно проста: привести молекулы воды в тесный контакт, и естественное отталкивание между молекулами заставляет ковалентные связи растягиваться и накапливать энергию. Когда жидкость нагревается, водородные связи растягиваются, поскольку вода становится менее плотной, а молекулы все дальше расходятся. Это дополнительное растяжение водородных связей позволяет ковалентным связям немного расслабиться и сжаться, отдавая свою энергию. Процесс отдачи энергии ковалентными связями эквивалентен охлаждению, поэтому теоретически теплая вода должна охлаждаться быстрее, чем холодная. Вот что такое эффект Мпемба!

Но этот эффект не действует в любых условиях. Например, вы берете два контейнера с водой одинаковой формы, в которых содержится одинаковое количество воды. Единственная разница между ними состоит в том, что вода в одном из них имеет более высокую (равномерную) температуру, чем вода в другом. Теперь мы охлаждаем оба контейнера, используя одинаковый процесс охлаждения для каждого контейнера. При некоторых условиях первоначально более теплая вода замерзнет первой. Если это произойдет, мы увидим эффект Мпемба. Конечно, изначально более теплая вода не замерзнет раньше, чем изначально более холодная вода для всех начальных условий. Если горячая вода начинается с температуры 99,9 ° С, а холодная вода с температурой 0,01 ° С, то, очевидно, при этих обстоятельствах первоначально более холодная вода сначала замерзнет. Тем не менее, при некоторых условиях первоначально более теплая вода замерзнет первой: если это произойдет, вы увидели эффект Мпембы. Но вы не увидите эффект Мпембы только для начальных температур, форм контейнера или условий охлаждения.

Это кажется невозможным, верно? Многие проницательные читатели, возможно, уже придумали общее доказательство того, что эффект Мпембы невозможен. Доказательство обычно выглядит примерно так. Скажем, что изначально более холодная вода начинается при 30 ° C и для замерзания требуется 10 минут, тогда как изначально более теплая вода начинается при 70 ° C. Теперь для того, чтобы температура опустилась до 30 ° C, сначала нужно потратить некоторое время на охлаждение, а после этого потребуется еще 10 минут для замерзания. Так как изначально более теплая вода должна делать все, что должна делать изначально более холодная вода, плюс еще немного, это займет, по крайней мере, немного больше времени, верно? Что может быть не так с этим доказательством?

Что не так с этим доказательством, так это то, что оно неявно предполагает, что вода характеризуется только одним числом — ее средней температурой. Но если важны другие факторы, помимо средней температуры, то, когда изначально более теплая вода остыла до средней температуры 30 ° C, она может выглядеть очень иначе, чем изначально более холодная вода (при одинаковых 30 ° C) в начале , Зачем? Причина может заключаться в том, что вода могла измениться, когда она охладилась с постоянной 70 ° C до средней 30 ° C. Он может иметь меньшую массу, меньше растворенного газа или конвекционные токи, что приводит к неравномерному распределению температуры. Или это могло изменить окружающую среду вокруг контейнера в холодильнике. И действительно, эффект Мпембы наблюдался в ряде контролируемых экспериментов. Эффект Мпемба зависит от некоторых факторов, которые объясняются следующим образом:

Испарение — поскольку первоначально более теплая вода охлаждается до начальной температуры изначально более холодной воды, она может потерять значительные количества воды при испарении. Уменьшенная масса облегчит охлаждение и замерзание воды. Тогда первоначально более теплая вода может замерзнуть раньше, чем первоначально более холодная вода, но будет образовывать меньше льда. Теоретические расчеты показали, что испарение может объяснить эффект Мпембы, если предположить, что вода теряет тепло только в результате испарения. Это объяснение основательно, интуитивно понятно, и испарение, несомненно, важно в большинстве ситуаций. Однако это не единственный механизм. Испарение не может объяснить эксперименты, которые проводились в закрытых контейнерах, где при испарении не было потеряно ни одной массы. И многие ученые утверждают, что одного испарения недостаточно, чтобы объяснить их результаты. Растворенные газы — горячая вода может содержать меньше растворенного газа, чем холодная вода, и при кипении выделяется большое количество газа. Таким образом, изначально теплая вода может содержать меньше растворенного газа, чем изначально более холодная вода. Предполагалось, что это каким-то образом изменяет свойства воды, возможно, облегчая развитие конвекционных течений (и, следовательно, облегчая охлаждение), или уменьшая количество тепла, необходимое для замораживания единичной массы воды, или изменение точки кипения. Есть некоторые эксперименты, которые поддерживают это объяснение, но не поддерживают теоретические расчеты. Конвекция — по мере охлаждения воды в конечном итоге будут развиваться конвекционные потоки и неравномерное распределение температуры. При большинстве температур плотность уменьшается с ростом температуры, и поэтому поверхность воды будет теплее, чем дно: это называется «горячей вершиной». Теперь, если вода теряет тепло главным образом через поверхность, то вода с «горячей вершиной» будет терять тепло быстрее, чем мы ожидаем, исходя из ее средней температуры. Когда первоначально более теплая вода охладится до средней температуры, такой же, как начальная температура изначально более холодной воды, она будет иметь «горячую вершину», и, таким образом, ее скорость охлаждения будет быстрее, чем скорость охлаждения изначально более холодного вода при той же средней температуре. Есть все это? Возможно, вы захотите прочитать этот абзац еще раз, уделяя особое внимание разнице между начальной температурой, средней температурой и температурой. Хотя эксперименты видели «горячую вершину» и связанные с ней конвекционные потоки, неизвестно, может ли конвекция сама по себе объяснить эффект Мпембы. Окружение — окончательное различие между охлаждением двух емкостей связано не с самой водой, а с окружающей средой. Первоначально более теплая вода может каким-то сложным образом изменять окружающую среду и, таким образом, влиять на процесс охлаждения. Например, если контейнер расположен на морозном слое, который плохо проводит тепло, горячая вода может растопить этот морозный слой и, таким образом, создать лучшую систему охлаждения в долгосрочной перспективе. Очевидно, что подобные объяснения не очень общие, так как большинство экспериментов не проводится с контейнерами, расположенными на слоях мороза. Короче говоря, горячая вода замерзает раньше, чем холодная вода в широком диапазоне обстоятельств. Это не невозможно, и было замечено, чтобы происходить в ряде экспериментов. Тем не менее, несмотря на заявления, часто выдвигаемые тем или иным источником, нет четко согласованного объяснения того, как происходит это явление. Были предложены разные механизмы, но экспериментальные данные неубедительны.

Спасибо Gp Dhaker за A2A! Я надеюсь, что я очистил ваши сомнения. 🙂

Может ли горячая вода замерзнуть быстрее, чем холодная?
Мы наконец выяснили, почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная

Почему кипяток на морозе замерзает быстрее.

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Эффект Мпембы. Вопрос возникал давно

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.

О. В. Мосин

Литературные
источники
:

«Hot water freezes faster than cold water. Why does it do so?», Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.

«The Freezing of Hot and Cold Water», G
.S. Kell in American Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.

«Supercooling and the Mpemba effect», David Auerbach, in American Journal of Physics, Vol. 63, No. 10, pp 882-885; Oct, 1995.

«The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water», Charles A. Knight, in American Journal of Physics, Vol. 64, No. 5, p 524; May, 1996.

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. 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 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

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, 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 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.

Феномен застывания горячей воды с большей скоростью, чем холодной, известен в науке как эффект Мпембы . Над этим парадоксальным явлением размышляли такие великие умы как Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт , но за тысячелетия никому ещё не удавалось предложить разумное объяснение этому феномену.

Лишь в 1963 году школьник из республики Танганьика, Эрасто Мпемба, заметил этот эффект на примере мороженого, но объяснения ему не дал никто из взрослых. Тем не менее, физики и химики серьёзно задумались над столь простым, но столь непонятным явлением.

С тех пор высказывались разные версии, одна из которых звучала следующим образом: часть горячей воды сначала просто испаряется, а потом, когда осталось меньшее её количество, вода застывает быстрее. Эта версия, в силу своей простоты, стала самой популярной, но учёных удовлетворяла не полностью.

Ныне команда исследователей из Технологического университета Наньян в Сингапуре (Nanyang Technological University) во главе с химиком Си Чжаном (Xi Zhang) заявила, что им удалось разрешить вековую загадку о том, почему тёплая вода застывает быстрее, чем холодная. Как выяснили китайские специалисты, секрет кроется в количестве энергии, запасённой в водородных связях между молекулами воды.

Как известно, молекулы воды состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода, удерживаемых вместе ковалентными связями , что на уровне частиц выглядит как обмен электронами. Другой известный факт заключается в том, что атомы водорода притягиваются к атомам кислорода из соседних молекул — при этом образуются водородные связи .

В это же время молекулы воды в целом отталкиваются друг от друга. Учёные из Сингапура заметили: чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды − молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии, как известно, и означает охлаждение.

Как пишут химики в своей статье , которую можно найти на сайте препринтов arXiv.org, в горячей воде водородные связи натягиваются сильнее, чем в холодной. Таким образом, оказывается, что в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, а значит, её высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. По этой причине застывание происходит быстрее.

На сегодняшний день учёные разгадали эту загадку лишь теоретически. Когда они представят убедительные доказательства своей версии, то вопрос о том, почему горячая вода застывает быстрее холодной, можно будет считать закрытым.

В 1963 году школьник из Танзании по имени Эрасто Мпемба задал своему учителю глупый вопрос — почему в его морозилке теплое мороженое замерзает быстрее, чем холодное?

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 нём 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 ещё горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы». 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 объёмами 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.

Вам интересно узнать почему так происходит? Буквально несколько лет назад ученым удалось объяснить данное явление …

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. 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 ещё 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.

С тех пор высказывались разные версии, одна из которых звучала следующим образом: часть горячей воды сначала просто испаряется, а потом, когда осталось меньшее её количество, вода застывает быстрее. Эта версия, в силу своей простоты, стала самой популярной, но учёных удовлетворяла не полностью.

Ныне команда исследователей из Технологического университета Наньян в Сингапуре (Nanyang Technological University) во главе с химиком Си Чжаном (Xi Zhang) заявила, что им удалось разрешить вековую загадку о том, почему тёплая вода застывает быстрее, чем холодная. Как выяснили китайские специалисты, секрет кроется в количестве энергии, запасённой в водородных связях между молекулами воды.

Как известно, молекулы воды состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода, удерживаемых вместе ковалентными связями, что на уровне частиц выглядит как обмен электронами. Другой известный факт заключается в том, что атомы водорода притягиваются к атомам кислорода из соседних молекул — при этом образуются водородные связи.

В это же время молекулы воды в целом отталкиваются друг от друга. Учёные из Сингапура заметили: чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды − молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии, как известно, и означает охлаждение.

Вот какие предположения выдвигаются учеными:

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, из-за испарения понижается её температура.

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: на её поверхности образуется тонкий слой льда, который действует как изолятор между водой и холодным воздухом, и тем самым препятствует 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 поместить её в среду с более низкой температурой, 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 быстро за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодные 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 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 переохлаждённого 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 её 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.

А вот как говорят, наиболее вероятная причина.

Как пишут химики в своей статье, которую можно найти на сайте препринтов arXiv.org, в горячей воде водородные связи натягиваются сильнее, чем в холодной. Таким образом, оказывается, что в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, а значит, её высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. По этой причине застывание происходит быстрее.

На сегодняшний день учёные разгадали эту загадку лишь теоретически. Когда они представят убедительные доказательства своей версии, то вопрос о том, почему горячая вода застывает быстрее холодной, можно будет считать закрытым.

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, чем холодная?

Это действительно так, хотя звучит невероятно, т.к в процессе замерзания предварительно нагретая вода должна пройти температуру холодной воды. Между тем, этот эффект широко используется. Например, катки и горки зимой заливают горячей, а не холодной водой. Специалисты советуют автомобилистам заливать зимой в бачок омывателя холодную, а не горячую воду. Парадокс известен в мире, как «Эффект Мпембы». 

Этот феномен упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году на него обратили внимание профессора физики и попытались исследовать. Все началось с того, что танзанийский школьник Эрасто Мпемба заметил, что подслащенное молоко, которое он использовал для приготовления мороженного, застывает быстрее, если оно было предварительно нагрето и выдвинул предположение, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы».

К счастью, однажды в школе побывал Деннис Осборн, профессор физики из университета Дар-эс-Салама. И Мпемба обратился к нему с тем же вопросом. Профессор был настроен менее скептически, сказал, что он не может судить о том, чего никогда не видел, и по возвращении домой попросил сотрудников провести соответствующие эксперименты. Похоже, они подтвердили слова мальчика. Во всяком случае, в 1969 году Осборн рассказал о работе с Мпембой в журнале «англ. Physics Education». В том же году Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета опубликовал статью с описанием явления в «англ. American Journal of Physics».

Есть несколько вариантов объяснения этого парадокса:

  • Горячая вода быстрее испаряется, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
  • Наличие снеговой подкладки. Контейнер с горячей водой протаивает под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт с охлаждающей поверхностью. Холодная вода не протаивает под собой снег. При отсутствии снеговой подкладки контейнер с холодной водой должен замерзать быстрее.
  • Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
  • Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде — растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров в холодной воде превращение воды в лед затруднено и возможно даже ее переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру.

Недавно было опубликовано еще одно объяснение. Д-р Джонатан Катц (Jonathan Katz) из Вашингтонского университета исследовал это явление и пришел к выводу, что важную роль в нем играют растворенные в воде вещества, которые при нагревании осаждаются.
Под растворенными веществами д-р Катц подразумевает бикарбонаты кальция и магния, которые содержатся в жесткой воде. Когда воду нагревают, эти вещества осаждаются, вода становится «мягкой». Вода, которая никогда не нагревалась, содержит эти примеси, она «жесткая». По мере ее замерзания и образования кристаллов льда концентрация примесей в воде увеличивается в 50 раз. Из-за этого понижается точка замерзания воды.

Мне это объяснение не кажется убедительным, т.к. не надо забывать, что эффект был обнаружен в опытах с мороженным, а не с  жесткой водой. Скорее всего причины явления теплофизические, а не химические.

Пока однозначного объяснения парадокса Мпембы не получено. Надо сказать, что некоторые ученые не считают этот парадокс заслуживающим внимания. Однако это очень интересно, что простой школьник добился признания физического эффекта и получил популярность из-за своей любознательности и настойчивости.

Добавлено в феврале 2014 г. 

Заметка была написана в 2011 г. С тех пор появились новые исследования эффекта Мпембы и новые попытки его объяснения. Так, в 2012 г. Королевское химическое общество Великобритании объявило международный конкурс на разгадку научной тайны “Эффект Мпембы” с призовым фондом 1000 фунтов. Дедлайн был установлен 30 июля 2012 года. Победителем стал Никола Бреговик из лаборатории университета Загреба. Он опубликовал свой труд, в котором анализировал предыдущие попытки объяснения этого явления и пришел к выводу, что они не убедительны. Предложенная им модель основана на фундаментальных свойствах воды. Желающие могут найти работу по ссылке http://www.rsc.org/mpemba-competition/mpemba-winner.asp

Исследования на этом не завершились. В 2013 г. физики из Сингапура теоретически доказали причину эффекта Мепембы. Работу можно найти по ссылке http://arxiv.org/abs/1310.6514. 

Похожие по тематике статьи на сайте:

451 градус по Фаренгейту, температура возгорания бумаги?

Медицинский инфракрасный термометр – мифы и реальность

Почему звездное небо черное? (фотометрический парадокс)

Загадка красного листа

Почему cверкает молния и гремит гром?

Почему небо голубое?

 

Почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

Это действительно так, хотя звучит невероятно, т.к в процессе замерзания предварительно нагретая вода должна пройти температуру холодной воды. Между тем, этот эффект широко используется. Например, катки и горки зимой заливают горячей, а не холодной водой. Специалисты советуют автомобилистам заливать зимой в бачок омывателя холодную, а не горячую воду. Парадокс известен в мире, как «Эффект Мпембы». 

Этот феномен упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году на него обратили внимание профессора физики и попытались исследовать. Все началось с того, что танзанийский школьник Эрасто Мпемба заметил, что подслащенное молоко, которое он использовал для приготовления мороженного, застывает быстрее, если оно было предварительно нагрето и выдвинул предположение, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы».

К счастью, однажды в школе побывал Деннис Осборн, профессор физики из университета Дар-эс-Салама. И Мпемба обратился к нему с тем же вопросом. Профессор был настроен менее скептически, сказал, что он не может судить о том, чего никогда не видел, и по возвращении домой попросил сотрудников провести соответствующие эксперименты. Похоже, они подтвердили слова мальчика. Во всяком случае, в 1969 году Осборн рассказал о работе с Мпембой в журнале «англ. Physics Education». В том же году Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета опубликовал статью с описанием явления в «англ. American Journal of Physics».

Есть несколько вариантов объяснения этого парадокса:

  • Горячая вода быстрее испаряется, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
  • Наличие снеговой подкладки. Контейнер с горячей водой протаивает под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт с охлаждающей поверхностью. Холодная вода не протаивает под собой снег. При отсутствии снеговой подкладки контейнер с холодной водой должен замерзать быстрее.
  • Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
  • Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде — растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров в холодной воде превращение воды в лед затруднено и возможно даже ее переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру.

Недавно было опубликовано еще одно объяснение. Д-р Джонатан Катц (Jonathan Katz) из Вашингтонского университета исследовал это явление и пришел к выводу, что важную роль в нем играют растворенные в воде вещества, которые при нагревании осаждаются.
Под растворенными веществами д-р Катц подразумевает бикарбонаты кальция и магния, которые содержатся в жесткой воде. Когда воду нагревают, эти вещества осаждаются, вода становится «мягкой». Вода, которая никогда не нагревалась, содержит эти примеси, она «жесткая». По мере ее замерзания и образования кристаллов льда концентрация примесей в воде увеличивается в 50 раз. Из-за этого понижается точка замерзания воды.

Мне это объяснение не кажется убедительным, т.к. не надо забывать, что эффект был обнаружен в опытах с мороженным, а не с  жесткой водой. Скорее всего причины явления теплофизические, а не химические.

Пока однозначного объяснения парадокса Мпембы не получено. Надо сказать, что некоторые ученые не считают этот парадокс заслуживающим внимания. Однако это очень интересно, что простой школьник добился признания физического эффекта и получил популярность из-за своей любознательности и настойчивости.

Добавлено в феврале 2014 г. 

Заметка была написана в 2011 г. С тех пор появились новые исследования эффекта Мпембы и новые попытки его объяснения. Так, в 2012 г. Королевское химическое общество Великобритании объявило международный конкурс на разгадку научной тайны “Эффект Мпембы” с призовым фондом 1000 фунтов. Дедлайн был установлен 30 июля 2012 года. Победителем стал Никола Бреговик из лаборатории университета Загреба. Он опубликовал свой труд, в котором анализировал предыдущие попытки объяснения этого явления и пришел к выводу, что они не убедительны. Предложенная им модель основана на фундаментальных свойствах воды. Желающие могут найти работу по ссылке http://www.rsc.org/mpemba-competition/mpemba-winner.asp

Исследования на этом не завершились. В 2013 г. физики из Сингапура теоретически доказали причину эффекта Мепембы. Работу можно найти по ссылке http://arxiv.org/abs/1310.6514. 

Похожие по тематике статьи на сайте:

451 градус по Фаренгейту, температура возгорания бумаги?

Медицинский инфракрасный термометр – мифы и реальность

Почему звездное небо черное? (фотометрический парадокс)

Загадка красного листа

Почему cверкает молния и гремит гром?

Почему небо голубое?

 

Как быстро испаряется вода?

Когда жидкое вещество превращается в газ, этот процесс называется испарением. Испарение воды является движущей силой круговорота воды в атмосфере. Мировой океан, моря, озера и реки обеспечивают почти 90 процентов влаги в атмосфере за счет испарения. В гораздо меньшем масштабе вы можете провести простой эксперимент дома, чтобы установить, сколько времени требуется, чтобы вода испарилась, и какие факторы ускоряют этот процесс.

Чистота воды

Чистая или дистиллированная вода испаряется быстрее, чем соленая вода и другие типы нечистой воды.В соленой воде растворено другое вещество (соль), поэтому ее частицы прикрепляются к молекулам воды, что делает их тяжелее и им требуется больше энергии, чтобы покинуть поверхность.

Площадь поверхности воды

Чем больше площадь поверхности воды, тем быстрее она испаряется. Вы можете убедиться в этом сами, наблюдая за двумя емкостями с водой. Вода в очень высоком контейнере с небольшой верхней поверхностью испаряется намного дольше, чем вода в большом неглубоком контейнере.Если площадь поверхности настолько велика, что глубина воды составляет всего одну молекулу, она почти сразу испаряется.

Температура воды

Горячая вода испаряется быстрее, чем холодная вода, потому что молекулы горячей воды имеют больше энергии, чтобы покинуть поверхность и превратиться в молекулу газа. Когда молекула воды делает это, молекула становится молекулой водяного пара (или пара).

Относительная влажность воздуха

Количество воды в воздухе в виде доли от общего количества, которое воздух может удерживать, когда он насыщен, называется относительной влажностью.Чем влажнее воздух непосредственно над водой, тем больше времени требуется для испарения, потому что, если воздух уже заполнен водяным паром, он не может вместить лишний пар. Например, если вы живете в пустыне, вода испаряется намного быстрее в местах, где нет другой воды, чем если бы вода была рядом с озером.

В качестве основных данных слишком много переменных, чтобы дать исчерпывающий ответ на вопрос, как быстро испаряется вода? Кроме того, каждая из вышеперечисленных переменных работает вместе, чтобы влиять на скорость испарения.Например, когда температура и влажность стабильны, а скорость ветра увеличивается, скорость испарения также увеличивается. Когда температура и скорость ветра стабильны, но увеличивается влажность, скорость испарения уменьшается.

Если вы проводите свой собственный эксперимент по испарению, вы можете ускорить процесс несколькими способами. Используйте чистую или дистиллированную воду и увеличьте площадь поверхности, поместив воду в неглубокий поддон. Выбирайте поддон из металла, так как он хорошо проводит тепло и поможет предотвратить охлаждение воды при испарении.Увеличьте температуру воды, обдув ее вентилятором теплым воздухом.

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

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

«Холодная вода не закипает быстрее горячей. Скорость нагрева жидкости зависит от величины разницы температур между жидкостью и окружающей средой (например, пламя на плите).В результате холодная вода будет быстрее поглощать тепло, пока она еще холодная; как только она достигает температуры горячей воды, скорость нагрева замедляется, и оттуда требуется столько же времени, чтобы довести ее до кипения, так и воду, которая была горячей с самого начала. Поскольку холодной воде требуется некоторое время, чтобы достичь температуры горячей воды, очевидно, что для кипячения холодной воды требуется больше времени, чем для горячей воды. Может иметь место некоторый психологический эффект; холодная вода закипает раньше, чем можно было ожидать, из-за вышеупомянутой большей скорости поглощения тепла, когда вода холоднее.

«На первую часть вопроса -« Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная? »- ответ:« Не обычно, но возможно при определенных условиях ». Для испарения одного грамма воды требуется 540 калорий, тогда как для того, чтобы довести один грамм жидкой воды от 0 до 100 градусов Цельсия, требуется 100 калорий. Когда вода более 80 градусов Цельсия, скорость охлаждения за счет быстрого испарения очень высока. высокий, потому что каждый испаряющийся грамм потребляет не менее 540 калорий из оставшейся воды.Это очень большое количество тепла по сравнению с одной калорией на градус Цельсия, которая выделяется из каждого грамма воды, охлаждаемой за счет регулярной теплопроводности.

«Все зависит от того, насколько быстро происходит охлаждение, и оказывается, что горячая вода не замерзнет раньше, чем холодная, но замерзнет перед теплой водой. Например, вода с температурой 100 градусов Цельсия замерзнет раньше, чем вода теплее 60 градусов Цельсия. но не раньше, чем температура воды станет ниже 60 ° C. Это явление особенно очевидно, когда площадь поверхности, которая охлаждается за счет быстрого испарения, велика по сравнению с количеством используемой воды, например, когда вы моете машину горячей водой в холодный зимний день.[Для справки см. Концептуальную физику Пола Г. Хьюитта (HarperCollins, 1993).]

«Другая ситуация, в которой горячая вода может замерзнуть быстрее, — это когда поддон с холодной водой и поддон с горячей водой равной массы помещаются в морозильную камеру. Имеется эффект испарения, упомянутый выше, а также тепловой контакт с полка морозильной камеры охлаждает нижнюю часть водоема.Если вода достаточно холодная, около четырех градусов C (температура, при которой вода наиболее плотная), то почти замерзающая вода внизу поднимется вверх.Конвекционные токи будут продолжаться до тех пор, пока температура во всем водоеме не достигнет 0 градусов Цельсия, после чего вся вода окончательно замерзнет. Если вода изначально горячая, охлажденная вода внизу более плотная, чем горячая вода вверху, поэтому конвекции не будет, и нижняя часть начнет замерзать, пока верхняя часть еще теплая. В некоторых случаях из-за этого эффекта в сочетании с эффектом испарения горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. В этом случае, конечно, морозильная камера будет работать больше в течение заданного времени, отбирая больше тепла от горячей воды.«

Роберт Эрлих из Университета Джорджа Мейсона в Фэрфаксе, штат Вирджиния, дополняет некоторые из замечаний Такахаши:

«Есть два способа, которыми горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная. Один из способов [описанный в книге Джерла Уокера« Летающий цирк физики »(Wiley, 1975)] зависит от того факта, что горячая вода испаряется быстрее, так что если начавшись с равными массами горячей и холодной воды, скоро будет меньше горячей воды для замораживания, и, следовательно, она обогнает холодную воду и замерзнет первой, потому что чем меньше масса, тем короче время замораживания.Другой способ, которым это может произойти (в случае плоской посуды с водой, помещенной в морозильную камеру), — это если горячая вода растапливает лед под дном посуды, что приводит к лучшему тепловому контакту при повторном замораживании ».

Все еще скептически настроен? Фред В. Декер, метеоролог из Университета штата Орегон в Корваллисе, призывает читателей решить вопрос для себя:

«Вы можете легко поставить эксперимент, чтобы узнать, что замерзает раньше: вода, которая изначально была горячей, или вода, которая изначально была холодной.Используйте данную настройку на электрической плитке и отсчитайте время между запуском и закипанием для данной кастрюли, содержащей, скажем, одну литр воды; сначала начните с воды настолько холодной, насколько позволяет кран, а затем повторите это с самой горячей водой, доступной из этого крана. Готов поспорить, что литр воды, изначально горячей, закипит за гораздо меньшее время, чем литр воды, изначально холодной.

«Эксперимент по замораживанию выполнить сложнее, потому что в идеале требуется холодильная камера, в которой установлена ​​температура ниже нуля.Возьмите в камеру две квартовые молочные бутылки, наполненные водой, одну из горячего крана, а другую из холодного крана за пределами камеры. Подождите, пока они замерзнут, и я снова готов поспорить, что изначально более холодная вода замерзнет раньше, чем изначально горячая «.

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

Декер заключает, что «много фольклора возникает в результате попыток ответить на такой вопрос в условиях, которые не делают« все остальное равным », как это делают предыдущие эксперименты.

Все еще скептически настроен? Фред В. Декер, метеоролог из Университета штата Орегон в Корваллисе, призывает читателей решить вопрос для себя:

«Вы можете легко поставить эксперимент, чтобы узнать, что замерзает раньше: вода, которая изначально была горячей, или вода, которая изначально была холодной.Используйте данную настройку на электрической плитке и отсчитайте время между запуском и закипанием для данной кастрюли, содержащей, скажем, одну литр воды; сначала начните с воды настолько холодной, насколько позволяет кран, а затем повторите это с самой горячей водой, доступной из этого крана. Готов поспорить, что литр воды, изначально горячей, закипит за гораздо меньшее время, чем литр воды, изначально холодной.

«Эксперимент по замораживанию выполнить сложнее, потому что в идеале требуется холодильная камера, в которой установлена ​​температура ниже нуля.Возьмите в камеру две квартовые молочные бутылки, наполненные водой, одну из горячего крана, а другую из холодного крана за пределами камеры. Подождите, пока они замерзнут, и я снова готов поспорить, что изначально более холодная вода замерзнет раньше, чем изначально горячая «.

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

Декер заключает, что «много фольклора возникает в результате попыток ответить на такой вопрос в условиях, которые не делают« все остальное равным », что делают предыдущие эксперименты.

Испарение и климат

Для инструктора

Эти материалы для учащихся
дополнить
Будущее еды
Инструкторские материалы.
Если вы хотите, чтобы у ваших учеников был доступ к учебным материалам, мы предлагаем вам либо
укажите им на студенческую версию
в котором отсутствуют обрамляющие страницы с информацией, предназначенной для
факультет (и этот ящик).Или вы можете скачать эти страницы в нескольких форматах
которые вы можете включить на веб-сайт своего курса или в местную систему управления обучением.
Узнайте больше об использовании,
изменение и совместное использование учебных материалов InTeGrate.

Чтобы понять, почему при выращивании продуктов питания требуется так много воды, нам нужно изучить процесс испарения . Испарение — это гидрологический процесс, с которым мы все хорошо знакомы, даже если вы о нем не подозреваете. Подумайте о том, чтобы повесить одежду для сушки на бельевой веревке или высушить волосы феном.Оба они включают в себя движение воды из жидкой формы в паровую или газообразную, которую мы называем водяным паром, или, другими словами, оба связаны с испарением воды.

В каких погодных условиях ваша одежда сохнет быстрее? Жаркий, сухой, ветреный день или прохладный, пасмурный, дождливый день? Почему вы сушите волосы феном? Вода испаряется быстрее, если температура выше, воздух сухой и есть ветер. То же самое и снаружи, в естественной среде. Скорость испарения обычно выше в жарком, сухом и ветреном климате.

Скорость испарения воды с любой поверхности, будь то с поверхности озера или через устьица на листе растения, зависит от климатических и погодных условий, включая солнечную радиацию, температуру, относительную влажность и ветер (и другие метеорологические факторы. ). Скорость испарения выше при более высоких температурах, потому что с повышением температуры количество энергии, необходимой для испарения, уменьшается. В солнечную теплую погоду потеря воды за счет испарения больше, чем в пасмурную и прохладную погоду.Влажность или содержание водяного пара в воздухе также влияет на испарение. Чем ниже относительная влажность, тем суше воздух и выше скорость испарения. Чем влажнее воздух, тем он ближе к насыщению и меньше испаряется. Кроме того, теплый воздух может «удерживать» более высокую концентрацию водяного пара, поэтому вы можете думать о том, что в более теплом воздухе больше места для хранения большего количества водяного пара, чем в более холодном. Ветер, движущийся по поверхности воды или суши, также может уносить водяной пар, по существу осушая воздух, что приводит к увеличению скорости испарения.Таким образом, солнечные, жаркие, сухие и ветреные условия вызывают более высокую скорость испарения. Мы увидим, что одни и те же факторы — температура, влажность и ветер — будут влиять на то, сколько воды используют растения, что влияет на то, сколько воды мы используем для производства нашей пищи!

Для испарения требуется много энергии, и эта энергия обеспечивается солнечным излучением. Карты ниже (рис. 4.1.1) иллюстрируют пространственные структуры солнечной радиации и годовой скорости испарения в Соединенных Штатах. Обратите внимание, как количество солнечной радиации, доступной для испарения, варьируется в США.Солнечная радиация также меняется в зависимости от сезона и погодных условий. Обратите внимание, что годовая скорость испарения указывается в дюймах в год. Например, Денвер, штат Колорадо, на карте испарения озера находится прямо на линии между 30-40 дюймами и 40-50 дюймами в год испарения озера, так что, скажем, 40 дюймов в год. В среднем, если у вас есть бассейн в Денвере, и вы никогда не добавляли воду, и в ваш бассейн не шел дождь, уровень воды в вашем бассейне упал бы на 40 дюймов за год. Изучите карты и ответьте на вопросы ниже.

Рисунок 4.1.1. а. Среднесуточная солнечная радиация в США и Пуэрто-Рико —
б. Среднегодовое испарение озера на территории Соединенных Штатов, 1946-55 гг. Данные недоступны для Аляски, Гавайев и Пуэрто-Рико.
Источник: данные Министерства торговли США, 1968 г.). От Hanson 1991.

Проверьте свое понимание

Чем похожи рисунки на двух картах выше (рис. 4.1.1)? В каких регионах наблюдается высокая солнечная радиация, а в каких — высокая интенсивность испарения? &

Ответ: Как правило, пространственные модели солнечной радиации и испарения озер в США схожи, поскольку высокая солнечная радиация вызывает сильное испарение.Юго-западный регион США отличается высоким уровнем солнечной радиации и испарения.

Чем отличаются две карты? Какие факторы могут способствовать различиям?

Ответ: Два основных отличия:

  • Район Скалистых гор, где высокие высоты приводят к более низким температурам, что снижает скорость испарения
  • Юго-восток США, где высокая влажность снижает испарение.

Найдите свое местоположение на картах.Сколько солнечной радиации получает ваше местоположение в год и сколько воды будет испаряться из озера в среднем за год?

Ответ: Найдите солнечную радиацию и испарение озера для вашего местоположения, используя карты ниже. Обратите внимание, что испарение из озера на рис. 4.1.1b дано в дюймах в год. Это значение выше, чем вы ожидали?


СКОРОСТЬ ИСПАРЕНИЯ

МЕТЕОРОЛОГ ДЖЕФФ ХЭБИ
Скорость испарения жидкой воды определяется несколькими факторами.Это важно
метеорологии, поскольку количество влаги, испаряющейся в воздухе, приводит к изменениям
в погоду. Ниже приводится каждый из этих факторов и объяснение:

1. Температура воды: молекулы воды движутся быстрее, когда вода нагревается. Чем быстрее молекулы
тем легче им покинуть поверхность воды. Теплое озеро или океан испарится
большое количество
влага. Эта влага
может использоваться для генерации осадков.

2.Температура воздуха: по мере того, как воздух над водой нагревается, он может иметь большую
количество влаги, испарившейся в воздухе. Если воздух холодный, испаряться трудно.
большое количество влаги в воздухе, даже когда вода теплая. Сочетание теплых
вода и теплый воздух испаряют больше всего воды.

3. Скорость ветра: более сильный ветер помогает удалить влагу, испарившуюся из воды. Это помогает
относительная влажность остается ненасыщенной
у поверхности воды.Когда воздух насыщен,
количество влаги, которая испаряется в воздух, сводится к минимуму. Более сильные ветры продолжат
подавать более сухой воздух с высоты на поверхность воды, что позволяет получать большее количество
испарения. Более сильный ветер также взбивает воду (волны, плеск), и это помогает
приводят к увеличению площади поверхности, на которой может происходить испарение с поверхности воды.

4. Сухой воздух:
Сухой воздух поможет произвести больше
испарение, особенно если воздух теплый
и сушить.Имеется более высокая способность испарения влаги в воздух, поскольку воздух
сохнет. Как только воздух насыщен, скорость испарения сводится к минимуму. Воздух с низким
относительная влажность оптимальна для испарения в него влаги.

5. Солнечный свет: Прямой солнечный свет приводит к большему испарению. Прямые фотоны света увеличиваются
движение молекул воды, которые он ударяет, дает им больше шансов испариться.

Кипящая вода испаряется в холодный воздух

Для значительной части Северной Америки сейчас… чертовски холодно.Зима пришла с удвоенной силой для большей части Северной Америки, и для многих людей она означала все: от трагических и катастрофических ледяных штормов до огромных снегопадов и общих неприятностей.

Будучи всегда оптимистом, я решил, что есть возможность повеселиться и поучиться, поэтому вчера вечером, когда температура за пределами моего дома к востоку от Торонто упала примерно до -20 градусов по Цельсию (-3 F), я собрал свои детей и сказал им, что мы собираемся провести научный эксперимент.

На протяжении многих лет я иногда видел демонстрации того, как горячая вода может испаряться, если ее бросить в очень холодный и сухой воздух.Я никогда раньше не пробовал это делать, но подумал, что сейчас самое подходящее время. Так что я налила немного воды в чайник, схватила видеокамеру и детей, а затем вышла на улицу, чтобы посмотреть, что произойдет.

Результаты были просто эпическими…

На самом деле я впервые разместил это видео в своем профиле facebook, и отзывы были быстрыми и яростными. Прошло около 14 часов с тех пор, как я разместил его на фейсбуке , и им уже поделились около 100 раз.

ТАК ЧТО ЗА ЭТОМ НАУЧНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ? Мне самому было любопытно, поэтому я поискал в Интернете и нашел множество объяснений, лучшие из которых были взяты с веб-сайта под названием The Why Files.Я в основном скопировал их ответ ниже:

Испарение играет ключевую роль в этом забавном явлении. Испарение — это переход воды из жидкой фазы в газовую. Скорость испарения зависит от разницы температур между водой и воздухом, и испарение происходит быстрее при низкой влажности. Горячая вода ближе к испарению, чем холодная, поэтому ваша чашка с почти кипящей водой уже близка к превращению в пар.

Разбавляя жидкую воду на скопление жидких капель, вы увеличиваете площадь ее поверхности, что также ускоряет испарение.Комбинация горячей воды, холодного, сухого воздуха и большой площади поверхности вызывает испарение большей части подброшенной почти кипящей воды до того, как она упадет на землю, а крошечные капельки, которые не испаряются, замерзнут в кристаллы льда, все еще находясь в воздуха.

Если вода недостаточно горячая, испарение будет медленнее. Вместо испарения жидкость сначала ударится о землю, а затем замерзнет.

Если вы страдаете от холода, почему бы не добавить немного удовольствия в ситуацию, попробовав это самостоятельно.Само собой разумеется, что любые попытки сделать это следует делать с некоторой осторожностью, поскольку здесь речь идет о кипятке. Всегда отводите воду от себя и делайте это большими размахивающими движениями. Держите детей на безопасном расстоянии, но не беспокойтесь, если испарившаяся вода улетит назад. Это случилось с нами во время одной попытки, но полученный туман над нашими головами был на самом деле довольно безобидным и забавным.

Как и все остальное в жизни, зима — это то, чем мы хотим ее видеть, и это один из примеров того, как зима может быть такой же веселой, как и любое другое время года.

В. В чем разница между испарением и кипячением?

Влажность. Вода испаряется быстрее, когда воздух сухой. Когда воздух сухой, в нем меньше молекул воды, возвращающихся в жидкость, поэтому вода испаряется быстрее. Когда в воздухе много молекул воды (т.е. он влажный), например, в дождливый день, испарение происходит медленнее, потому что больше молекул воды возвращается в жидкость. Попробуйте это расследование: налейте равное количество воды в три одинаковые банки.Оставьте одну открытую, накройте другую алюминиевой фольгой и накройте последнюю банку плотно закрывающейся крышкой (рис. 5). Исходя из того, что мы узнали, что вы ожидаете увидеть через несколько дней или неделю? Чем плотнее крышка, тем меньше испарения. Но почему именно? Студенты могут предположить, что с крышкой на кувшине молекулам воды некуда деваться. Вы можете ответить: «Да, но разве молекулы воды по-прежнему не могут подняться в воздух над водой в банке?» Могут, но это приведет к тому, что в воздухе в банке будет гораздо больше молекул воды (более высокая влажность) и намного больше молекул воды вернется в жидкость (как на рисунке 2).Он быстро достигает точки, когда количество молекул воды, возвращающихся в жидкость, равно количеству молекул, покидающих жидкость, поэтому нет чистого изменения количества жидкой воды (то есть нет испарения). Это гораздо более сложное объяснение, чем просто удерживание крышки в воде. Вероятно, вам не нужно будет вдаваться в подробности со своими учениками, но вы будете гораздо больше уверены в своих знаниях о содержании, если разберетесь в процессе глубоко.

Площадь поверхности. Увеличение площади поверхности даст больше поверхности, с которой может испаряться вода. Таким образом, влажное полотенце высохнет быстрее, если оно будет разложено, а не свернуто или свернуто.

Итак, испарение происходит медленнее, происходит только с поверхности жидкости, не образует пузырьков и приводит к охлаждению. Кипение происходит быстрее, может происходить по всей жидкости, образует много пузырьков и не приводит к охлаждению.

Между статьями прошлого месяца и этой вы готовы обсудить круговорот воды.В своей простейшей форме круговорот воды — это то, как вода превращается из водяного пара (газ) в жидкую воду (конденсация), а затем обратно в газ (испарение). Святая корова, меня просто поразило, сколько реальных приложений мы нашли для этой одной простой темы. В нашей повседневной деятельности так много всего интересного. Вот почему я всегда говорю: «Никогда не переставай учиться!»


Мэтт Бобровски — ведущий автор серии книг NSTA Press, Обучение на основе феноменов: использование гаджетов и приспособлений для физических наук .Вы можете сообщить ему, если есть научная концепция, о которой вы хотели бы услышать больше. Свяжитесь с ним по адресу: [email protected]

Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

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

Этой очевидной причудой природы является «эффект Мпемба», названный в честь танзанийского старшеклассника Эрасто Мпембы, который впервые наблюдал его в 1963 году. Эффект Мпембы возникает, когда два водоема с разными температурами подвергаются воздействию одинаковых отрицательных температур. сначала замерзает окружающая среда и более горячая вода. Наблюдения Мпембы подтвердили догадки некоторых из самых уважаемых мыслителей истории, таких как Аристотель, Рене Декарт и Фрэнсис Бэкон, которые также считали, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

Испарение — самый сильный кандидат для объяснения эффекта Мпемба. Когда горячая вода, помещенная в открытый контейнер, начинает остывать, общая масса уменьшается, так как часть воды испаряется. При меньшем количестве воды для замораживания процесс может занять меньше времени. Но это не всегда работает, особенно при использовании закрытых емкостей, предотвращающих утечку испарившейся воды.

И испарение может быть не единственной причиной, по которой вода может замерзнуть быстрее. В более теплой воде может быть меньше растворенного газа, что может снизить ее способность проводить тепло, позволяя ей быстрее остывать.Однако польские физики в 1980-х годах не смогли убедительно продемонстрировать эту взаимосвязь.

Неравномерное распределение температуры в воде также может объяснить эффект Мпембы. Горячая вода поднимается до верха контейнера, прежде чем вытечь, вытесняя холодную воду под собой и создавая «горячий верх». Это движение горячей воды вверх и холодной воды вниз называется конвекционным потоком. Эти токи — популярная форма теплопередачи в жидкостях и газах, возникающая в океане, а также в радиаторах, которые нагревают холодную комнату.Когда более холодная вода находится внизу, это неравномерное распределение температуры создает конвекционные потоки, которые ускоряют процесс охлаждения. Даже с большим количеством земли, которую нужно укрыть, чтобы замерзнуть, температура более горячей воды может падать быстрее, чем более холодная вода.

Поэтому в следующий раз, когда вы наполняете лоток для кубиков льда, попробуйте использовать более теплую воду. У вас могут быть кубики льда, чтобы охладить напиток еще раньше.

Этот ответ предоставлен Scienceline, проектом Программы отчетности по науке, здоровью и окружающей среде Нью-Йоркского университета.

Следите за маленькими загадками жизни в Twitter @llmysteries. Мы также в Facebook и Google+.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.