Какая вода замерзает быстрее горячая или холодная: Почему горячая вода замерзает быстрее

Содержание

Почему горячая вода замерзает быстрее

Дата публикации: 06.12.2019
Дата обновления: 23.05.2021

Кузьминчук Анна

аспирант кафедры ТНВ,В и ОХТ НТУУ «КПИ»

Если поместить горячую воду в морозильную камеру, можно наблюдать эффект ее ускоренного замерзания. Это явление ранее упоминалось Аристотелем, Френсисом Беконом и Рене Декартом.

Из двух емкостей с холодной и горячей водой в морозильной камере, быстрее замерзнет горячая вода. Подтверждением этому факту является, например, то, что на сильном морозе открытые трубы с горячей водой замерзают быстрее, чем холодные.

Эксперимент в домашних условиях

Для того, чтобы проверить истинность такого явления, вы можете провести дома элементарный эксперимент.

Возьмите литр воды и две отдельные формочки для льда.

Примерно половину воды вылейте в чайник и вскипятите.

Залейте холодную и нагретую воду в формочки и поставьте их в морозильную камеру.

Подождите час и вы увидите, какая вода быстрее превращается в лед.

Парадокс Мпембы

В 1963 году африканский школьник заметил, что горячая смесь мороженного в морозильной камере застывает быстрее, чем холодная. Он не получил ответа на этот вопрос от школьного учителя физики, но смог задать его профессору физики Деннису Осборну. Эксперимент проведенный с водой доказал наличие эффекта. В данном случае две пробы воды объемом 70 мл с температурой 25 и 90 ^оС помещались в одинаковых стаканчиках в морозильную камеру бытового холодильника на пенопластовых листах.

Далее Осборн и Мпемба провели ряд экспериментов, результаты которых были опубликованы в 1969 году журнале
Physics Education.

Главные тезисы статьи приведем ниже.

Поскольку охлаждение начинается преимущественно с верхней поверхности жидкости, то скорость охлаждения зависит от температуры именно этой поверхности, а не от средней температуры жидкости, а процессы конвекции поддерживают эту температуру. За счет этого скорость потери тепла для системы с более высокой изначальной температурой тоже будет выше, чем для изначально более охлажденной системы. Это утверждение является спорным, поскольку перед замерзанием вода должна пройти промежуточные температуры, но с учетом влияния температурного градиента, авторы допускали, что можно упустить это утверждение. После этого явление стало активно обсуждаться исследователями и обрело название “эффект Мпембы”.

На рисунке изображена зависимость скорости замерзания от исходной температуры воды.

Объяснения эффекта Мпембы

Ответ на вопрос о том, почему горячая вода быстрее замерзает, люди искали полстолетия. Было опубликовано сотни научных работ по этому поводу, но только через 54 года был получен окончательный ответ.

В 2013 году Королевское химическое сообщество Великобритании пообещало выдать премию в 1000 фунтов тому, кто объяснит эффект Мпембы. Лучшим ответом было
эссе Никола Бреговича из Университета Загреба в Хорватии. Он просуммировал основные исследуемые ранее теории и описал их.

В 2016 году группа ученых опубликовала материалы исследований, которые отрицали наличие данного парадокса. Обьяснение самого эффекта основывалось на погрешности исследований.

Казалось бы научный мир должен успокоиться, но не тут то было, и в 2017 году совместное
исследование группы ученых из Китая и США объясняет явление водородными связями в кластерной структуре воды.

Основные теории

Испарение воды

Часть ученых объясняли, что нагретая вода быстрее испаряется и, соответственно, либо замерзает в воздухе и образует ледяную корку, либо просто удаляется из системы. Стоит отметить, что во всех экспериментах, где взвешивалась масса воды до и после заморозки, максимальная потеря массы достигала не более 3%. Такое несущественное изменение массы, очевидно, не может вызвать значительное ускорение замораживания. Еще одна сложность данного эксперимента лежала в том, что доказать данный момент практически невозможно, поскольку при герметизации емкости с замораживаемой водой изменится не только испарение, а и движение тепловых потоков.

Растворенные газы

Растворимость газов в воде падает с повышением ее температуры. Исходя из этого часть исследователей допускали, что быстрое замерзание воды связано с этим фактом. Проведенные Томасом исследования показали, что разница в температурах замерзания слабо отклоняется от ноля, а Ауэрбах доказал, что концентрация газов в воде не влияет на переохлаждение воды.

Конвекция, усиленная градиентом тепла

Давайте разберемся с тем, что такое конвекция и градиент тепла. Когда емкость с водой помещается в морозильную камеру, то жидкость на поверхности и возле стенок емкости быстрее контактирует с холодной окружающей средой и охлаждается. В это же время внутри образца температура сохраняется, вследствие чего внутри емкости появляется разность температур или температурный градиент. Он вызывает перенос тепла, причем чем сильнее градиент, тем лучше конвекция. Соответственно, чем выше эта разность температур, тем активнее будет происходить теплообмен, а собственно и охлаждение.

Водородные связи

В 2017 году был получен окончательный ответ на вопрос о том, почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная — причиной являются свойства водородных связей. Ключевой аргумент исследователей заключается в том, что количество сильных водородных связей увеличивается с повышением температуры, а существование небольших крепко связанных кластеров, в свою очередь, способствует образованию правильного гексагонального льда при быстром охлаждении теплой воды. Помимо этого, был доказан обратный эффект быстрого нагревания переохлажденной воды.

Как и почему формируется лед, и как располагаются молекулы воды в его структуре, мы уже писали ранее.

Кстати, исследования продолжаются :)

Видео: какая вода замерзает быстрее – горячая или холодная | Futurist

9 февраля 2017, 14:19

Кажется очевидным, что холодная вода замерзает быстрее горячей, поскольку в равных условиях горячей воде требуется больше времени, чтобы остыть и впоследствии – замерзнуть. Однако тысячелетние наблюдения, а также современные эксперименты показали, что верно и обратное: при определенных условиях горячая вода замерзает быстрее холодной. Научный канал Sciencium объясняет это явление:

Как объясняется на видео выше, феномен, когда горячая вода замерзает быстрее холодной, известен как эффект Мпембы, названный по имени Эрасто Мпемба – студента из Танзании, который в 1963 году делал мороженое как часть школьного проекта. Студенты должны были довести до кипения смесь сливок и сахара, дать ему остыть, а затем положить в морозилку.

Вместо этого Эрасто поставил свою смесь сразу, раскаленной, не дожидаясь, пока она остынет. В итоге, через 1,5 часа его смесь уже была заморожена, а смеси других учеников – нет. Заинтересовавшись явлением, Мпемба начал изучать вопрос вместе с профессором физики Денисом Осборном, и в 1969 году они опубликовали статью, в которой говорилось, что теплая вода замерзает быстрее, чем холодная вода. Это было первое рецензируемое подобное исследование, однако само явление упоминается еще в бумагах Аристотеля, датируемых IV веком до н. э. Френсис Бэкон и Декарт также отмечали это явление в своих исследованиях.

В видео перечислены несколько вариантов объяснений происходящего:

Мороз является диэлектриком, и поэтому морозная холодная вода хранит тепло лучше, чем теплый стакан, что плавит лед, соприкасаясь с ним

В холодной воде больше растворенных газов, чем в теплой, и исследователи предполагают, что это может играть роль в скорости охлаждения, хотя пока непонятно как

Горячая вода теряет больше водных молекул за счет испарения, поэтому их меньше остается для заморозки

Теплая вода может охлаждаться быстрее за счет увеличения конвективных течений. Эти течения возникают, поскольку в первую очередь вода в стакане охлаждается на поверхности и по бокам, заставляя холодную воду тонуть, а горячую – подниматься. В теплом стакане конвективные течения более активны, что может повлиять на скорость охлаждения.

Однако в 2016 году было проведено тщательно контролируемое исследование, которое, показала обратное: горячая вода замерзала намного медленнее холодной. При этом ученые заметили, что изменение местоположения термопары – прибора, определяющего перепады температуры, – всего на сантиметр ведет к появлению эффекта Мпемба. Изучение других подобных работ показало, что во всех случаях, когда наблюдался этот эффект, имело место смещение термопары в пределах сантиметра.

Таким образом, у ученых нет реальных доказательств существования эффекта Мпемба, поскольку явление возникает только при конкретных условиях.

Понравилась статья?

Поделись с друзьями!

Поделиться 0
Поделиться 0
Твитнуть 0

Подпишись на еженедельную рассылку

15 фактов о воде — Экоальянс

Вода — самое простое и привычное вещество на планете. Но в то же время вода таит в себе множество загадок. Ее до сих пор продолжают исследовать ученые, находя все больше интересных данных о воде.

Факт первый: самая чистая вода в Финляндии

По данным ЮНЕСКО, самая чистая вода находится в Финляндии. Всего в исследовании свежей природной воды принимало участие 122 страны. При этом 1 млрд людей по всему миру вообще не имеет доступа к безопасной воде.

Факт второй: лед быстрее получить из горячей воды

Какая вода быстрее превратится в лед: горячая или холодная? Если рассуждать логически, то, конечно, холодная. Ведь горячей нужно сначала остыть, а потом уже замерзнуть, а вот холодной остывать не нужно. Однако опыты показывают, что в лед быстрее превращается именно горячая вода.

Точного ответа на вопрос, почему все-таки горячая вода замерзает быстрее холодной, до сих пор не существует. Возможно, дело в разнице в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо причина в воздействии разжиженных газов на горячую и холодную воду.

Факт третий: сверхохлаждение воды

Все хорошо помнят из школьного курса физики, что вода замерзает при 0 градусов, а при 100 градусах закипает. Однако существует так называемое сверхохлаждение воды. Таким свойством обладает очень чистая вода — без примесей. Даже при охлаждении ниже точки замерзания такая вода остается жидкой. Но и в том, и в другом случае существуют температуры, при которых вода станет льдом или закипит.

Факт четвертый: у воды более 3 состояний

Еще со школы все знают, что у воды есть 3 агрегатных состояния: жидкое, твердое и газообразное. Однако ученые выделяют 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.

Факт пятый: вода как стекло

Что будет, если взять замерзшую чистую воду и продолжить охлаждение? С водой произойдут чудесные превращения. При минус 120 градусах по Цельсию вода становится сверхвязкой или тягучей, а при температуре ниже минус 135 градусов она превращается в «стеклянную» воду. «Стеклянная» вода — это твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура, как в стекле.

Факт шестой: основа жизни — это вода

Вода — основа жизни. Все живые животные и растительные существа состоят из воды: животные — на 75%, рыбы — на 75%, медузы — на 99%, картофель — на 76%, яблоки — на 85%, помидоры — на 90%, огурцы — на 95%, арбузы — на 96%. Даже человек состоит из воды. 86% воды содержится в теле у новорожденного и до 50% у пожилых людей.

Факт седьмой: вода — переносчик болезней

Вода не только дарит жизнь, но может и отнимать ее. 85% всех заболеваний в мире передается с помощью воды. Ежегодно 25 млн. человек умирает от этих заболеваний.

Факт восьмой: человек без воды умирает

Если человек теряет 2% воды от массы своего тела, то у него возникает сильная жажда. Если проценты потерянной воды увеличатся до 10, то у человека начнутся галлюцинации. При потере в 12% человек не сможет восстановиться без помощи врача. При потере в 20% человек умирает.

Факт девятый: больше всего пресной воды — в ледниках

Где больше всего воды? Ответ кажется очевидным: в Мировом океане. Однако на самом деле, в мантии Земли воды содержится в 10-12 раз больше, чем в Мировом океане. При этом почти вся имеющаяся на планете масса воды не пригодна для питья. Мы можем пить только 3% воды — именно столько у нас запасов пресной воды. Но даже большая часть этих 3% недоступна, так как содержится в ледниках.

Факт десятый: вода как диета

С помощью воды можно бороться с лишним весом. Употребляя из напитков только воду, можно резко снизить общую калорийность рациона. Во-первых, потому, что человек прекращает пить калорийные сладкие газировки и соки, во-вторых, потому, что после воды меньше тянет взять сладостей, как в случае с чаем или кофе.

Факт одиннадцатый: вода для здорового сердца

Вода помогает снизить вероятность сердечного приступа. Во время исследований ученые выяснили, что те люди, которые пьют около шести стаканов воды в день, меньше подвержены риску сердечного удара в отличие от тех, кто выпивает всего два стакана.

Факт двенадцатый: 35 тонн воды за жизнь

Без воды человек может прожить очень не долго. Потребность в воде стоит на втором месте после кислорода. Без еды человек может прожить около шести недель, а без воды — пять-семь суток. За всю свою жизнь человек выпивает примерно 35 т воды.

Факт тринадцатый: самая дорогая вода

Вода может быть бесплатной, а может быть и очень дорогой. Самая дорогая в мире вода продается в Лос-Анджелесе. Производители упаковывают драгоценную жидкость со сбалансированным вкусом и значением ph в бутылки со стразами «Swarovski». Стоит такая вода 90 $ за 1 л.

Факт четырнадцатый: есть вода, которая горит

Существует и опасная вода. Так, например, в Азербайджане есть вода, в которой много метана, поэтому она может загореться, если поднести к ней спичку. А в Сицилии в одном из озер есть подводные источники кислоты, которые отравляют всю воду в этом водоеме.

Факт пятнадцатый: белок в воде

Морская вода — весьма питательная субстанция. В 1 куб. см такой воды содержится 1.5 г белка и других веществ. Ученые считают, что один только Атлантический океан по своей питательности оценивается в 20 тыс. урожаев, которые собирают за год по всей суше.

Горячая вода замерзает быстрее!. О чем Эйнштейн рассказал своему повару

Какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная. Почему горячая вода замерзает быстрее чем холодная

Вода – одна из самых удивительных жидкостей на свете, которой присущи необычные свойства. Например, лед – твердое состояние жидкости, имеет удельный вес ниже, чем сама вода, что сделало во многом возможным возникновение и развитие жизни на Земле. Кроме того, в околонаучном, да и научном мире ведутся дискуссии по поводу, какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная. Тот, кто докажет более быстрое замерзание горячей жидкости в определенных условиях и научно обоснует свое решение, получит от Британского королевского общества химиков награду в 1000 фунтов стерлингов.

История вопроса

О том, что при выполнении ряда условий горячая вода по скорости замерзания опережает холодную, было замечено еще в Средневековье. Объяснению этого феномена затратили немало усилий Френсис Бэкон (Francis Bacon) и Рене Декарт (René Descartes). Однако, с точки зрения классической теплотехники, этот парадокс объяснить невозможно, и о нем старались стыдливо замалчивать. Толчком к продолжению споров послужила несколько курьезная история, случившаяся с танзанийским школьником Эрасто Мпембе (Erasto Mpemba) в 1963 году. Однажды во время урока по приготовлению десертов в школе поваров, мальчик, отвлекшись на посторонние дела, не успел охладить смесь для мороженого вовремя и сунул в морозильную камеру раствор сахара в молоке горячим. На его удивление, продукт охладился несколько быстрее, чем у его соучеников, соблюдающих температурный режим приготовления мороженого.

Пытаясь уяснить сущность явления, мальчик обратился к учителю физики, который, не вдаваясь в подробности, высмеял его кулинарные опыты. Однако Эрасто отличался завидным упорством и продолжил свои эксперименты уже не на молоке, а на воде. Он убедился, что в ряде случаев замерзание горячей воды происходит быстрее, чем холодной.

Поступив в университет в Дар-эс-Саламе (University of Dar es Salaam), Эрасто Мпембе посетил лекцию профессора Дениса Г. Осборна (Dennis G. Osborne). После её окончания студент озадачил ученого проблемой о скорости замерзания воды в зависимости от ее температуры. Д.Г. Осборн высмеял саму постановку вопроса, заявив с апломбом, что любому двоечнику известно, что холодная вода замерзнет быстрее. Однако природное упорство юноши дало о себе знать. Он заключил с профессором пари, предложив здесь же, в лаборатории, провести экспериментальную проверку. Эрасто поместил в морозилку два контейнера с водой, температура которой в одном была равной 95°F (35°C), а во втором – 212°F (100°C). Каково же было удивление профессора и окружающих «болельщиков», когда вода во втором контейнере замерзла быстрее. С тех пор это явление получило название «Парадокса Мпембы».

Однако до настоящего времени нет стройной теоретической гипотезы, объясняющей «Парадокс Мпембы». Не ясно, какие внешние факторы, химический состав воды, наличие в ней растворенных газов и минеральных веществ оказывают влияние на скорость замерзания жидкостей, находящихся при разных температурах. Парадоксальность «Эффекта Мпембы» в том, что он противоречит одному из законов, открытых еще И. Ньютоном, который гласит, что время остывания воды прямо пропорционально разности температур жидкости и окружающей среды. И если все остальные жидкости полностью подчиняются этому закону, то вода в ряде случаев является исключением.

Почему горячая вода быстрее замерзае
т

Существует несколько версий, почему горячая вода замерзает быстрее холодной. Основными из них считаются:

горячая вода быстрее испаряется, при этом уменьшается ее объем, а меньший объем жидкости остывает быстрее – при охлаждении воды от + 100°С до 0°С объемные потери при атмосферном давлении достигают 15%;
интенсивность теплообмена между жидкостью и окружающей средой тем выше, чем больше разница температур, поэтому тепловые потери кипятка проходят быстрее;
при остывании горячей воды на ее поверхности образуется корочка льда, препятствующая полному промерзанию жидкости и ее испарению;
при высокой температуре воды происходит ее конвекционное перемешивание, сокращающее время замерзания;
растворенные в воде газы понижают точку замерзания, отбирая энергию на кристаллообразование, – в горячей воде растворенные газы отсутствуют.

Все эти условия неоднократно подвергались экспериментальной проверке. В частности, германский ученый Давид Ауэрбах (David Auerbach) обнаружил, что температура кристаллизации горячей воды несколько выше, чем у холодной, что делает возможным более быстрое замерзание первой. Однако позднее его опыты были подвергнуты критике и многие ученые убеждены, что «Эффект Мпембы» о том, какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная, можно воспроизвести только в определенных условиях, поисками и конкретизацией которых до настоящего времени никто не занимался.

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.

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.

» мы уже сталкивались с некоторыми интересными свойствами воды, которые позволяют жить и нам в частности, и живым существам вообще. Продолжим тему и предлагаем вашему вниманию ещё одно интересное свойство (правда, непонятно, истинное или вымышленное).

Интересно о воде — эффект Мпембы: знаете ли вы, что по интернету ходят слухи о том, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная? Вы, возможно, не знаете, а эти слухи ходят. Причём весьма упорные. Так о чём же идёт речь — об ошибке эксперимента или о новом, интересном свойстве воды, которое до сих пор не было изучено?

Давайте разберёмся. Легенда, повторяющаяся от сайта к сайту, такова: возьмем две емкости с водой: в одну нальем горячую, а в другую — холодную воду, и поместим их в морозильную камеру. Горячая вода замерзнет быстрее холодной. Почему же так происходит?

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

Второй вариант легенты — Мпемба обратился к великому учёному, который по-счастью, находился рядом с африканской школой Мпембы. А учёный поверил мальчику и перепроверил, что к чему. Ну и пошло-поехало… Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.

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

Итак, мы имеем эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода (при некоторых условиях) может замёрзнуть быстрее, чем холодная. Хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания.

Соответственно, для того, чтобы разобраться с парадоксом, есть два пути. Первый — начать обЪяснять это явление, придумывать теории и радоваться, что вода — таинственная жидкость. А можно пойти по другому пути — самостоятельно провести этот эксперимент. И сделать соответствующие выводы.

Давайте обратимся к людям, которые действительно провели этот опыт, пытаясь воспроизвести эффект Мпембы. А заодно посмотрим на небольшое исследование, определяющее, «откуда ноги растут».

На русском языке сообщение об эффекте Мпембы впервые появилось 42 года назад, о чём, рассказал журнал „Химия и жизнь“ (1970, № 1, с. 89). Будучи добросовестными, сотрудники „Химии и жизни“ решили сами провести опыты и убедились: „горячее молоко упорно не желало замерзать первым“. Такому результату было дано естественное объяснение: „Горячая жидкость не должна замерзать раньше. Ведь её температура должна сначала сравняться с температурой холодной жидкости».

Один из читателей „Химии и жизни“ сообщил о своих опытах следующее (1970, № 9, с. 81). Он доводил молоко до кипения, охлаждал до комнатной температуры и ставил в холодильник одновременно с некипячёным молоком, тоже имевшим комнатную температуру. Кипячёное молоко застывало быстрее. Тот же эффект, но более слабый достигался при нагревании молока до 60°C, а не до кипения. Кипячение могло иметь принципиальное значение
: при этом испарится часть воды и улетучится более лёгкая часть жиров. В результате температура замерзания может измениться. Кроме того, при нагревании и тем более при кипячении возможны и какие-то химические превращения органической части молока.

Но „испорченный телефон“ уже заработал, и через 25 с лишним лет эту историю описывали так: „Порция мороженого быстрее становится холодной, если её засунуть в холодильник, предварительно хорошенько прогрев, чем если её сперва оставить при холодной температуре“ („Знание — сила“, 1997, № 10, с. 100). Про молоко стали постепенно забывать, и речь пошла в основном о воде.

Через 13 лет в той же „Химии и жизни“ появился такой диалог: „Если на мороз вынести две чашки — с холодной и с горячей водой, — то какая вода быстрее замёрзнет?.. Дождитесь зимы и проверьте: горячая вода замёрзнет быстрее“ (1993, № 9, с. 79). Ещё через год последовало письмо одного добросовестного читателя, который зимой старательно выносил на мороз чашки с холодной и горячей водой и убедился, что холодная замерзает быстрее (1994, № 11, с. 62).

Подобный опыт был проведён с помощью холодильника, у которого морозильник покрывается толстым слоем инея. Когда я ставил на этот морозильник стаканчики с горячей и с холодной водой, то иней под стаканчиками с горячей водой подтаивал, они опускались и вода в них замерзала быстрее. Когда же я ставил на иней рюмки, то эффект не наблюдался, поскольку иней под рюмками не подтаивал. Не наблюдался эффект и тогда, когда после размораживания холодильника я ставил стаканчики на не покрытый инеем морозильник. Это доказывает, что причиной эффекта является подтаивание инея под стаканчиками с горячей водой („Химия и жизнь“ 2000, № 2, с. 55).

Рассказ о парадоксе, замеченном танзанийским мальчиком, неоднократно сопровождался многозначительным замечанием — мол, не следует пренебрегать никакой, даже весьма странной, информацией. Пожелание благое, но нереализуемое. Если мы не будем предварительно отсеивать ненадёжную информацию, то мы в ней утонем. А неправдоподобная информация чаще всего бывает неверной. К тому же, часто бывает (как и в случае с эффектом Мпембы), что неправдоподобие является следствием искажения информации в процессе передачи.

Таким образом, интересно о воде вообще, и эффект Мпембы в частности — не всегда правда 🙂

Более подробно — на страничке http://wsyachina.narod.ru/physics/mpemba.html

Испарение

Разница температур

Переохлаждение

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

Конвекция

Растворённые в воде газы

Теплопроводность

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.

Раскрыта тайна века или почему горячая вода застывает быстрее холодной?

Горячая вода иногда застывает быстрее холодной – но почему? Этот любопытный феномен озадачивал ученых веками, но сейчас появились свидетельства что данный эффект может быть вызван наличием примесей. Феномен более быстрого замерзания горячей воды известен под названием “эффект Мпембы“. Он назван так в честь танзанийского школьника Эрасто Мпембы. Физики придумывали всевозможные теории, объясняющие этот феномен, такие как: быстрое испарение уменьшает объем горячей воды; слой льда изолирует холодную воду; разные концентрации растворов.

Но найти разгадку было очень тяжело, так как эффект непостоянен – холодная вода также может застыть быстрее.

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.

Воспользуйтесь нашими услугами

Джеймс Браунридж (James Brownridge), который контролирует радиационную безопасность в государственном университете Нью-Йорка (State University of New York at Binghamton), считает что ключ к разгадке кроется в непостоянстве результатов. За последние 10 лет он провел сотни экспериментов на эффект Мпемба в свое свободное время, и получил свидетельства что эффект основан на изменчивом феномене переохлаждения.

“Вода редко застывает при 0^oC,” рассказал Браунридж, – “Обычно вода переохлаждается, и начинает замерзать при более низкой температуре”. Точка замерзания зависит от примесей в воде, которые оказывают влияние на формирование кристаллов льда. В воде могут содержаться различные примеси: частички пыли, растворенная соль или бактерии. В зависимости от вида примесей меняется температура замерзания. Примесь с самой высокой точкой замерзания определяет температуру замерзания воды.

Браунридж проводит опыт таким образом: две пробы воды одной и той же температуры – допустим вода из под крана 20^oC – в закрытой посуде охлаждается в холодильнике. Одна проба замерзнет быстрее, предположительно из-за того что смесь примесей в ней имеет более высокую температуру замерзания.

Если разница примесей достаточно велика, то проявится эффект Мпембы. Браунридж выбрал образец с самой высокой температурой замерзания и нагрел его до 80^oC, тогда как другие образцы были комнатной температуры. Затем он положил все образцы в холодильник. Горячая вода всегда застынет быстрее, если ее точка замерзания как минимум на 5^oC больше, рассказал Браунридж.

Может показаться невероятным что смещение финишной черты всего на 5^oC достаточно, чтобы образец с начальной температурой на 60^oC выше застыл быстрее. Но чем больше температурная разница между объектом и окружающей средой (в данном случае холодильником) – тем быстрее объект охлаждается. Поэтому более горячий образец очень быстро остынет, достигнув своей точки замерзания, например в -2^oC, быстрее чем более холодная вода достигнет точки замерзания в -7^oC.

Почему никто не замечал этого раньше? Браунридж рассказал, что другие люди недостаточно контролировали условия проведения эксперимента чтобы можно было проверять один фактор за раз. Например, необходимо контролировать тип контейнера, положение образца в холодильнике и так далее.

Эта работа вряд ли положит конец спорам вокруг эффекта Мпембы. Джонатан Катц (Jonathan Katz) из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, Миссури (Washington University in St Louis, Missouri), отнесся к теории Браунриджа со скептицизмом. Согласно теории Катца, нагревание повышает точку замерзания воды, выпаривая примеси, такие как диоксид углерода. Это значит что само по себе нагревание уже повышает шансы что вода замерзнет быстрее, в отличие от более непостоянных результатов Браунриджа. “Возможно он обнаружил эффект переохлаждения, который напоминает эффект Мпембы”, – заявил Катц.

Одна из версий сути происходящего 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.

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.

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.

Воспользуйтесь нашими услугами

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Холодная или горячая, так какая же вода замерзает быстрее?

Если задать этот вопрос обычным людям, то практически все сойдутся в едином мнении и скажут, что быстрее превратится в лед холодная вода. Скажут и окажутся неправы. Наша компания предлагает воду в бутылях 19 литров с доставкой по всем районам Щелково, Королеву, Пушкино, Мытищ, Балашихи и Ивантеевки. Также мы можем доставить кулер или помпу, чтобы обеспечить комфорт при пользовании большими баллонами. Мы предлагаем сертифицированную продукцию для взрослых “Архыз”, “Черноголовская” и детей «Эльбрусинка», «Зайка» и другая.

Как показывает практика, если два одинаковых сосуда с одинаковым объемом жидкости, где одна холодная, а другая горячая, подвергнуть воздействию низкой температуры, то замерзнет раньше именно горячая.

Логика пытается опровергнуть данное явление, однако факт остается фактом.

Возможные причины

Когда британское химическое общество взялось за дело, был объявлен конкурс идей, гипотез, вероятных объяснений данного феномена, получившего название эффект Мпембы.

Появилось множество версий, среди которых достойными внимания оказались следующие:

Процесс замерзания горячей воды более скоротечен, потому что процесс ее испарения происходит быстрее, объем уменьшается, остывание происходит быстрее. Однако эта идея потерпела фиаско после того, как был проведен опыт в условиях, исключающих испарение. Результат оказался неизменным.
Причина заключается в испарении растворенных в жидкости газов, следствием чего становится повышенная плотность. Чем выше плотность, тем выше теплопроводность, а значит и скорость охлаждения.
Следующая гипотеза основана на зависимости скорости циркуляции от температуры. Также были идеи найти связь во взаимодействии жидкости и материала, из которого изготовлен сосуд. Правдоподобных итогов было несколько, но полностью объяснить феномен и сформулировать абсолютные доказательства так и не удалось.

Еще в одном из исследований начали изучать количество энергии, находящееся в водородных связях на молекулярном уровне. Отличие между молекулами холодной и горячей воды здесь оказалось существенное.

Идею попытались подтвердить с помощью компьютерного моделирования. Согласно полученных данных выяснилось, что с повышением температуры воды увеличивается расстояния между молекулами, равно как и отталкивающие силы. Можно предположить, что растянутые водородные связи аккумулируют при этом значительно большее количество энергии. Далее при охлаждении расстояние между молекулами сокращается, а энергия из водородных связей освобождается. Стремительный отток энергии является следствием понижения температуры.

Выведение вещества из состояния равновесия посчитали теорией, достойной внимания, однако не смотря ни на что исследования в данном направлении продолжаются, а о закрытии вопроса говорить пока еще рано.

28.01.2020

Подвергая сомнению эффект Мпембы: горячая вода не охлаждается быстрее, чем холодная

Анализ наших данных «стиля Мпемба» и данных других исследований

На рисунке 1 показано изменение во времени t ₀, для охлаждения образцы до 0 ° C, с начальной температурой из различных исследований, включая наши эксперименты типа «Мпемба». Мы попытались представить широкий выбор опубликованных экспериментальных данных, касающихся эффекта Мпемба. Отметим, что данные тщательных экспериментов ²⁹, сообщающие о времени охлаждения до 0 ° C (их рис.5), которые не показали никаких доказательств эффекта Мпембы, не могли быть включены из-за трудностей с точным получением данных из их напечатанного рисунка. Их результаты относительно времени до того, как слой льда вырастет до глубины 25 мм, не могут быть справедливо включены в наш анализ, поскольку мы исключаем процесс замерзания; однако мы обсуждаем эти результаты, когда делаем наши выводы. Масса воды, геометрия контейнера и характер охлаждения сильно различались в разных наборах данных, и это различие отражается в разбросе данных.Из рис. 1 трудно сделать какие-либо выводы из данных, за исключением того, что в общих чертах время охлаждения увеличивается с начальной температурой. Единственное исключение, которое сообщает данные (в широком диапазоне температур), которые демонстрируют тенденцию к уменьшению времени охлаждения с увеличением начальной температуры, — это Mpemba & Osborne ⁸.

Рисунок 1

Время t ₀ для охлаждения до 0 ° C в зависимости от начальной температуры, T _i для экспериментов «типа Мпемба».

Данные показывают широкую тенденцию увеличения времени охлаждения с увеличением начальной температуры, за исключением данных Mpemba & Osborne ⁸.

На рисунке 2 показано изменение времени охлаждения t ₀, масштабированное по шкале конвективного времени, с усредненным по температуре числом Рэлея из различных исследований, подробно представленных на рисунке 1 (подробные сведения о шкале конвективного времени и усредненное по температуре число Рэлея (см. раздел «Методы»).Некоторые из исследований, представленных на рис. 2, не предоставили в явном виде всех деталей, необходимых для масштабирования данных, и в таких случаях мы сделали разумные оценки на основе предоставленной информации (детали которой также представлены в разделе «Методы»). Условия экспериментов сильно различаются между восемью независимыми исследованиями, данные которых включены в рисунок. Нет очевидной систематической погрешности в отношении времени охлаждения в зависимости от геометрии охлаждающей емкости, несмотря на соотношение ширины к высоте D / H , которое изменяется в пятнадцать раз, и глубина охлаждаемой воды, изменяющаяся на множитель восемь в данных, что указывает на то, что геометрия может быть надлежащим образом отражена шкалой длины в пределах усредненного по температуре числа Рэлея Ra _T.Однако существует очевидное смещение во времени охлаждения, основанное на характере охлаждения, и мы в целом разделили данные на два набора данных. Первый набор, который мы описываем как данные с «преобладанием конвекции» (отмечены сплошными символами на рис. 2), в основном состоит из образцов, в которых основание было изолировано или охлаждение снизу было каким-то образом подавлено (см. Легенду на рис. подробности). В таких случаях отсутствует прямая теплопередача между основанием морозильной камеры (или охлаждающей пластиной), и образец воды преимущественно охлаждается через стороны или верх образца, что способствует нестабильному расслоению плотности.В таких случаях теплопередача затрудняется добавлением изоляции, и, следовательно, время охлаждения обычно увеличивается, несмотря на усиление роли конвекции. Второй набор данных, который мы описываем как «стабильно охлажденный» (отмечен синими полыми символами на рис. 2), состоит из данных, для которых ожидается, что тепловой поток через основание образца будет значительным (например, где образец был помещен непосредственно на охлаждающей пластине), и ожидается, что охлаждение способствовало стабильному расслоению пробы воды (по крайней мере, выше 4 ° C).

Рисунок 2

Данные на рисунке 1 масштабированы, чтобы показать изменение t ₀/ t _conv (время охлаждения до 0 ° C в единицах конвективной шкалы времени) с Число Рэлея, Ra _T = т _конд/ т _усл.

Данные «стабильного охлаждения» отмечены синими открытыми символами, а данные «конвективно преобладающие» отмечены сплошными символами.Сплошной черной линией отмечена шкала для конвективного охлаждения с высоким числом Рэлея (5).

Данные в каждом отдельном наборе данных демонстрируют в целом согласованную тенденцию: время охлаждения увеличивается на Ra _T, и наборы данных лучше всего подходят (в смысле наименьших квадратов) по степенному закону приблизительно. Это говорит о том, что время охлаждения соответствует

. Мы отмечаем, что мы масштабировали данные на рис. Число Рэлея, ср. Уравнение (7). Все различные определения числа Рэлея, которые мы проверили, привели к тому, что различные наборы данных демонстрируют тенденции, хорошо аппроксимируемые (1).

Соображения конвекции с высоким числом Рэлея, в которой предположение, что тепловой поток не зависит от глубины жидкости, подразумевает, что

(например, см. Ссылку 31), где Nu = Q / ( κ Δ T / H ) — число Нуссельта, κ — коэффициент температуропроводности жидкости, Q пропорционален потоку тепла, а Δ T — характерная разница температур между жидкостью и охлаждаемой поверхностью. .Скорость изменения температуры для данного образца тогда пропорциональна тепловому потоку, то есть Q , и при условии, что Ra ∼ β Δ TgH ³ / ( κv ), из уравнения (2) мы можем записать

, где β и v — коэффициент теплового расширения и кинематическая вязкость жидкости, а A — площадь охлаждаемой поверхности жидкости. Следовательно,

где и — начальная и конечная характеристические разности температур (между жидкостью и охлаждаемой поверхностью).Таким образом,

. Отметим, что принципиально важно, что при выводе (5) мы предположили, что конвекция проявляет поведение, связанное с поведением конвекции с асимптотически высоким числом Рэлея. Данные по исследованию эффекта Мпемба, представленные на рис.2 (полученные при начальных числах Рэлея до O (10 ¹⁰)), хорошо согласуются с тенденцией, предсказанной (5), предполагая, что экспериментальные данные можно рассматривать как высокое число Рэлея. Таким образом, если данные, представленные на рис. 2, не демонстрируют эффекта Мпемба, как мы действительно продолжаем спорить, то следует ожидать, что данные, полученные при более высоких числах Рэлея, также не будут демонстрировать эффект Мпемба.

Анализ возникновения эффекта Мпембы

Приведенный выше анализ, хотя и информативен в отношении физики охлаждающей воды, не касается явным образом, когда эффект Мпембы наблюдался. Чтобы установить единичное наблюдение эффекта Мпембы, нужно сравнить два эксперимента, которые идентичны во всех отношениях, за исключением разницы в начальных температурах образцов воды. Затем можно утверждать, что эффект Мпембы можно рассматривать как наблюдаемый, если образец воды, первоначально находящийся при более высокой температуре, сначала достигает желаемой температуры охлаждения.Чтобы проиллюстрировать, когда может быть зарегистрирован эффект Мпембы, мы рассматриваем среднюю скорость передачи тепла Q от первоначально горячего Q _H и первоначально холодного Q _C образцов. , где для данного образца Q = Δ E / t ₀ = ( E _i — E ₀) / t _{0 9000 T / t ₀ = ( T _i — T ₀) / t ₀ с E _i и с обозначением 0} и E начальная и конечная энтальпия образцов соответственно.

Эффект Мпембы можно описать как наблюдаемый при неравенстве Q _H/ Q _C> Δ E _H / Δ E _{удовлетворяется, так как Q _H/ Q _C> Δ E _H / Δ E _C ⇒ 000 c> t t _H, где t _c и t _H обозначают время охлаждения холодного и горячего образцов соответственно.На рисунке 3 (a) показано изменение отношения Q _H/ Q _C с Δ E _H / Δ E _C (или эквивалентно T _H / Δ T _C) для различных пар данных, показанных на рис.1, и результатов наших экспериментов «второго типа» (см. Раздел «Методы»). На рисунке 3 (b) показаны результаты наших экспериментов «второго типа» с учетом пространственного изменения в измерениях температуры.Соотношение Q _H/ Q _C = Δ E _H / Δ E _C обозначено сплошными черными линиями на рис. 3. Следовательно, любые данные, расположенные выше этой линии, могут быть обоснованно представлены как наблюдение эффекта Мпемба.}

Рисунок 3

Изменение отношения средних скоростей теплопередачи к начальной температуре (или эквивалентной энтальпии) для пар идентичных образцов горячей и холодной воды.

( a ) Исторические данные, показанные на рис. 1, и краткое изложение наших экспериментов «второго типа». ( b ) Результаты наших экспериментов «второго типа». Черные сплошные линии обозначают Q _H/ Q _C = Δ T _H / Δ T _C. Зеленые крестики () в ( b ) показывают данные, которые мы бы сообщали, если бы высота, на которой мы измеряли температуру, была неточной на 1 см.

Изучение рис. 3a показывает, что большая часть представленных данных находится ниже «линии эффекта Мпемба» ( Q _H/ Q _C = Δ E _H / Δ E _C) и, следовательно, эффект Мпемба в этих случаях явно не наблюдался. Данные ряда исследований действительно лежат на линии эффекта Мпемба или чуть выше нее. Примечательно, что эти данные имеют тенденцию быть ближе к левому концу горизонтальной оси, т.е.е. температура более горячего образца лишь незначительно превышает температуру более холодного образца. Это говорит о том, что любые неточности в измерении температуры могут быть значительными. Есть два набора данных, которые являются исключением из этого вывода, а именно: Mpemba & Osborne ⁸ и Thomas ¹⁴. Ни одно из данных Thomas ¹⁴ не лежит далеко выше линии эффекта Мпемба. Действительно, на рис. 3b представлены наши данные из наших экспериментов «второго типа», то есть тех, которые предназначены для предотвращения образования льда, в которых мы регистрировали температуры в диапазоне разной высоты в пределах каждого образца.В дополнение к нашим данным, полученным путем сравнения температур, записанных на одинаковых высотах в более горячих и более холодных образцах, рис. 3b включает данные (отмечены), которые мы бы сообщили, если бы вертикальные положения, в которых мы зарегистрировали температуру, были неправильно измерены на величину до 1 см. Эти данные показывают наблюдения, которые лежат выше линии эффекта Мпембы и как таковые могут быть совершенно неправильно описаны как наблюдения эффекта Мпембы, если в наших экспериментах не было уделено должного внимания.Вертикальное и горизонтальное расположение этих данных на рисунке охватывает область, которая включает в себя все данные, представляющие собой наблюдения эффекта Мпемба в других исследованиях. Следовательно, если в какой-либо конкретной серии экспериментов вертикальное положение измерений температуры было неверным, всего на 1 см, то по данным этих экспериментов можно (опять же, совершенно неверно) сделать вывод, что Мпемба наблюдалась. Мы отмечаем, что в исследованиях, сообщающих о наблюдениях за эффектом Мпемба, авторы либо не могут воспроизвести эффект повторяющимся образом, либо детали, относящиеся к точной высоте измерения температуры, не сообщаются.Единственное исследование, которое включает наблюдения за пределами области, охватываемой нашими данными, показанными на рис. 3b, — это исследование Mpemba & Osborne ⁸, которое включает наблюдения, которые лежат как далеко выше линии эффекта Мпембы, так и ближе к правому концу горизонтальная ось — отметим, что эти данные показывают значительный разброс от любого физически обоснованного тренда.

Мы постарались связаться с обоими авторами, г-ном Эрасто Б. Мпемба и доктором Денисом Осборном. Пытаясь связаться с доктором Осборном, мы были опечалены, узнав о его смерти в сентябре 2014 года.Похоже, что на протяжении всей своей жизни доктор Осборн продолжал вносить чрезвычайно положительный вклад как в науку, так и в политику. Нам пока не удалось связаться с г-ном Мпембой, хотя мы понимаем, что он был главным сотрудником отдела диких животных Министерства природных ресурсов и туризма Танзании (сейчас он на пенсии). Нам не удалось установить источник какой-либо систематической ошибки в экспериментальной процедуре или экспериментальной установке Mpemba & Osborne ⁸, которая могла бы привести к регистрации таких экстремальных данных.

Обсуждение и выводы

Мы пришли к выводу, что, несмотря на все наши усилия, мы не смогли провести наблюдения каких-либо физических эффектов, которые можно было бы разумно описать как эффект Мпембы. Более того, мы показали, что все данные (за исключением единственного исследования), представляющие собой наблюдения за эффектом Мпембы в рамках существующих исследований, находятся чуть выше линии эффекта Мпемба, то есть разницы во времени охлаждения между горячим и холодным образцы маргинальны.Мы показали (рис. 3), что большая часть данных, представляющих собой наблюдения за эффектом Мпембы, была получена из исследований, в которых не сообщалось о высоте, на которой были измерены температуры ^{7,14,20,21,22,23} и что выводы полученные из этих данных, можно было изменить, просто записав температуру без точного отслеживания высоты. Действительно, все данные, которые лежат чуть выше линии эффекта Мпемба на рис. 3 (включая данные, для которых высота измерения температуры тщательно отслеживалась и сообщалась ^17,24,28), по самой природе экспериментов подлежат некоторая степень неопределенности, которая может в конечном итоге повлиять на то, записываются ли наблюдаемые результаты как очевидное наблюдение эффекта Мпемба или нет.Чтобы быть точным в отношении того, что мы понимаем под этим утверждением, давайте теперь рассмотрим сообщения о наблюдениях эффекта Мпемба, возможно, в двух наиболее тщательных сериях экспериментов в литературе ^28,29. В исследовании ²⁸ действительно представлены данные для одного наблюдения эффекта Мпембы, но также сообщается о получении «разных кривых охлаждения, даже если начальные температуры были идентичными», кроме того, они заявляют: «[c] Можно провести тщательные и точные эксперименты по исследованию эффекта Мпембы. пытались охладить горячую и холодную воду одновременно в двух одинаковых емкостях, но получить научно значимые и воспроизводимые результаты чрезвычайно сложно ».В исследовании ²⁹ показано возможное наблюдение эффекта Мпембы (время роста слоя льда до 25 мм, их цифра 19) для одной пары начальных температур (из возможных 21 пары начальных температур). , а именно пара начальных температур 10 ° C и 15 ° C. По данным, записанным на фиксированной высоте (например, 5 мм), образцы, охлаждающиеся с 15 ° C, показывают среднее время охлаждения примерно 95 минут, в то время как образцы, охлаждающиеся с 10 ° C, среднее значение составляет примерно 105 минут — следовательно, принимая только среднее значение. Используя данные для этого конкретного температурного сочетания, можно было бы описать эффект Мпембы как наблюдаемый.Однако различия в условно идентичных экспериментах значительны. При той же высоте записи для образцов, охлаждаемых от 15 ° C, регистрируемое время составляет 95–105 минут, тогда как для образцов, охлаждаемых от 10 ° C, регистрируемое время составляет 100–110 минут. Таким образом, вариация в теоретически идентичных экспериментах, по крайней мере, достаточно велика, чтобы сделать любой вывод о том, что эффект Мпемба наблюдался в средних данных, как весьма сомнительный, и поэтому это не может рассматриваться как значимое наблюдение эффекта.

Единственное исключение из приведенных выше утверждений, единственное исследование, в котором представлены некоторые данные, которые показывают, что значительно более теплые образцы охлаждаются за значительно меньшее время (т.е. точки данных, которые находятся намного выше линии Q _H/ Qc = Δ T _H / Δ Tc на рис. 3) — это данные, предоставленные Mpemba & Osborne ⁸. Если бы эти данные можно было воспроизводить повторяющимся образом и понять лежащий в их основе механизм, то они имели бы реальное значение для множества приложений, полагающихся на передачу тепла.Например исх. 8, сообщают об охлаждении образца с 90 ° C до точки замерзания за 30 минут, в то время как для образца при 20 ° C потребовалось 100 минут для охлаждения до точки замерзания, т.е. средняя скорость теплопередачи во время охлаждения увеличилась в 15 раз на просто увеличивая начальную температуру образца. При использовании современных теплообменников такой результат будет иметь серьезные последствия для эффективности любого числа обычных промышленных процессов. Однако в течение последующих 47 лет многочисленные исследования пытались продемонстрировать «эффект» в масштабе, сопоставимом со шкалой, описанной Mpemba & Osborne.Несмотря на эти усилия, в том числе наши собственные, ни одна из них не увенчалась успехом. Поэтому мы должны утверждать, что этот конкретный набор данных может быть в корне ошибочным, и поэтому, если не будет доказано, что он воспроизводим и повторяем, этот набор данных следует рассматривать как ошибочный.

Мы должны подчеркнуть, что наша основная задача заключалась в изучении охлаждения воды до точки замерзания (наблюдаемой при стандартных атмосферных условиях), то есть энтальпийного эквивалента 0 ° C. Таким образом, мы смогли показать, что большая часть опубликованных экспериментальных данных демонстрирует масштабное поведение, связанное с конвекцией с асимптотически высоким числом Рэлея.Таким образом, нельзя ожидать наблюдения образцов, охлаждаемых горячей водой до 0 ° C быстрее, чем более холодных образцов, проводя эксперименты с более высокими числами Рэлея. В соответствии с нашим определением эффекта Мпембы, аналогичным определению в «исходной» статье Мпембы и Осборна ⁸ (в которой они задокументировали «время, когда вода начинает замерзать»), мы вынуждены заключить, что эффект Мпембы ‘не является подлинным физическим эффектом и является научной ошибкой.

Если расширить определение эффекта Мпемба, включив в него процесс замораживания, то можно будет изучить экспериментальные данные, представленные рядом научных исследований, которые пытались включить эффект замораживания, например.г. ссылки 9,21,22,28 и 29. Замерзание воды до льда — термодинамически интенсивный процесс. Например, энергия, необходимая для изменения фазы данной массы воды при 0 ° C в лед при 0 ° C, приблизительно равна энергии, необходимой для охлаждения той же массы воды с 80 ° C до 0 ° C в жидкое состояние. Таким образом, интуиция подсказывает, что время полного замерзания образца воды может лишь слабо зависеть от начальной температуры воды. Более того, замораживание инициируется процессом зародышеобразования и, как таковое, подвержено изменениям в мельчайших физических масштабах, например.г. несовершенства поверхности емкостей или примесей в пробах воды — физические масштабы которых чрезвычайно трудно контролировать даже в самых точных экспериментах. Такая интуиция полностью подтверждается экспериментальными данными, и ни одно исследование не может сообщить о повторяющихся наблюдениях эффекта Мпемба, когда включен процесс замораживания ^{9,21,22,28,29}. Были проведены экспериментальные наблюдения за конкретным примером охлаждения и замораживания теплой воды за меньшее время, чем за конкретный пример изначально более холодной воды — еще предстоит сообщить какие-либо экспериментальные доказательства того, что образцы воды можно последовательно охлаждать и замораживать за меньшее время. (время становится меньше на повторяемую и статистически значимую величину), просто инициируя охлаждение с более высокой температуры.Таким образом, мы можем сделать вывод, что даже с учетом процесса замораживания, включенного в определение эффекта Мпемба, эффект Мпемба не наблюдается в каком-либо значимом виде.

Такой вывод нас не радует, даже наоборот. Эффект Мпембы оказался замечательной головоломкой, с помощью которой можно заинтересовать и заинтересовать людей любого возраста и происхождения в поисках научного понимания. Однако роль ученых заключается в объективном изучении фактов и дополнительных знаний, сообщая о выводах, и поэтому мы чувствуем себя обязанными распространять наши выводы.Наконец, мы хотим дать надежду педагогам, которые, возможно, раньше полагались на эффект Мпембы как на полезный инструмент, с помощью которого можно вдохновлять своих учеников. Есть множество подлинных научных артефактов, которые могут и дальше служить источником вдохновения. Например, попробуйте наполнить два одинаковых стакана, один с пресной водой, а другой с соленой водой (оба одинаковой температуры), поместите в каждый по несколько кубиков льда и посмотрите, какой из них тает первым — многие ученики будут удивлены результатом, обнаружив его. вопреки их опыту и интуиции.Точно так же можно попробовать положить тонкий лист карты на стакан с водой, перевернуть стакан вверх дном, а затем убрать руку с карты — наблюдайте, как атмосферное давление воздуха позволяет воде удерживаться в стакане — повторите это , заменив карту жесткой сеткой с отверстиями до нескольких миллиметров, и вода все равно будет удерживаться внутри стакана ³². Мы надеемся, что эти примеры послужат катализатором для тех, кто ищет другие примеры подлинной науки, и что они помогут пробудить научный интерес в будущих поколениях.

Инженерная школа Массачусетского технологического института | »Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

Это извечный вопрос, на который есть простой ответ: нет.

Сара Дженсен

Со времен Аристотеля исследователи и ученые-любители спорят с нелогичной теорией, согласно которой горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. У этого понятия даже есть название: эффект Мпембы, названный в честь танзанийского школьника, который в 1963 году заметил, что мороженое, которое он и его одноклассники приготовили из теплого молока, застывает быстрее, чем мороженое из холодного молока.

«Независимо от начальной температуры воды, она должна быть доведена до точки замерзания, прежде чем она изменит свое состояние и превратится в лед», — говорит Пракаш Говиндан, научный сотрудник отдела машиностроения Массачусетского технологического института. На самом деле для замораживания горячей воды потребуется больше времени и / или энергии, потому что ее необходимо снизить по температуре, пока она не достигнет точки замерзания, примерно 0 ° C.

Говиндан предлагает провести простой эксперимент, чтобы продемонстрировать, что горячая и холодная вода будет вести себя так, как предсказывает логика.«Наполните две одинаковые емкости горячей и холодной водопроводной водой из кухонной мойки и посмотрите, какая из них замерзнет первой», — говорит он. Интересно, что скорость изменений в этом эксперименте не будет одинаковой. «Когда вы помещаете их в морозильную камеру, морозильная камера будет усерднее работать, чтобы снизить температуру горячей воды, поэтому сначала скорость теплопередачи в горячей воде будет выше». Однако другой контейнер будет охлаждаться одновременно (если не с такой же скоростью).

Когда температура воды в каждом контейнере достигает примерно 0 ° C, она претерпевает те же изменения, что и переход от жидкости к твердому телу, и столько же времени потребуется, чтобы начать формирование крошечных кристаллов льда.В этот момент каждая смесь жидкости и льда будет иметь одинаковую температуру, и по мере того, как смеси забирают все больше тепла, вступает в силу термодинамический принцип скрытой теплоты: вода продолжает переходить в твердое состояние, но больше не изменяется. по температуре. «Пока у вас есть смесь жидкой воды и твердого льда, температура будет оставаться на уровне 0 до тех пор, пока вся вода не замерзнет», — говорит Говиндан.

Никогда не было убедительно доказано, что горячая и холодная вода ведут себя по-разному на любом этапе процесса замораживания, несмотря на постоянное восхищение эффектом Мпембы.В начале 2013 года Европейское Королевское химическое общество даже провело конкурс на лучшее объяснение теории. Победитель предположил, что горячая вода действительно замерзает быстрее, если холодная вода сначала переохлаждена. Но логика побеждает, когда речь идет о простой обычной воде из бытового крана. Скорее всего, на температуру замерзания воды повлияет присутствие примесей, таких как соль, растворенные твердые вещества и газы, а также ингредиенты домашнего мороженого.

Спасибо Хубаибу Мухтару из Пакистана за этот вопрос.

30 апреля 2013 г.

Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная? | Научный проект

Влияет ли температура на скорость замерзания воды?

Морозильная камера
3 миски одинакового размера и формы
Клейкие этикетки
Маркер
Вода
Мерный стакан
Термометр
Ноутбук
Карандаш

Освободите достаточно места в морозильной камере для трех мисок.Вы должны иметь возможность класть их в морозильную камеру в одно и то же время, чтобы не переносить замороженные продукты и напитки позже.
Подумайте, что вы знаете о льду. Какая температура воды перед замерзанием? Вы, вероятно, обычно принимаете ванну в теплой воде. Как быстро вода остывает, когда вы в ванне?
Рассмотрев различные температуры воды и льда, сделайте предположение — называемое гипотезой — ответив на вопрос: горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?
Запишите свою гипотезу в тетрадь, указав, считаете ли вы, что горячая, теплая или холодная вода замерзнет первой, и — почему .
Используя свой маркер, напишите Hot на одной из ваших липких этикеток. Повторите то же самое с ярлыками для «Тепло» и «Холодно».
Поместите липкие этикетки на каждую из трех чаш, используя по одной на каждую чашу. Этикетки помогут вам отслеживать, в какой чаше определена температура воды.
Нарисуйте карандашом в блокноте три столбца. Обозначьте первый столбец «Горячий», второй — «Теплый» и третий — «Холодный».
С помощью взрослого нагрейте 1 стакан воды до 100 градусов по Фаренгейту.Вылейте его в горячую посуду, стараясь не обжечься.
Нагрейте 1 чашку воды до 70 градусов по Фаренгейту и налейте ее в теплую миску.
Наполните холодную миску водой температурой 40 градусов по Фаренгейту.
Немедленно поместите все три миски в морозильную камеру.
Запишите начальную температуру в нужные столбцы ноутбука.
Открывайте дверцу морозильной камеры каждые 10 минут и измеряйте температуру воды в каждой емкости с помощью термометра.Запишите температуру в свой ноутбук.
Повторяйте шаг 13, пока все три миски не замерзнут.
Сравните информацию в каждом из трех столбцов записной книжки. Ваша гипотеза верна?

Чаша с горячей и теплой водой замерзнет быстрее, чем чаша с холодной водой.

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

Во-первых, вся вода испаряется , что означает, что жидкость (вода) «исчезает» и становится паром или газом.Горячая вода испаряется намного быстрее, чем холодная. Это означает, что в чаше с горячей водой на самом деле было меньше воды, чем в чаше с холодной водой, что помогло ей быстрее замерзнуть.

Во-вторых, конвекция (передача тепла в воде при ее движении) помогает горячей воде замерзать быстрее, чем чаша с холодной водой. В горячей воде больше конвекционных потоков, чем в холодной, поэтому она остывает гораздо быстрее. Вот почему вода в ванне всегда остывает намного быстрее, чем вам хотелось бы!

Теперь, когда вы знаете о замораживании воды при разных температурах, продолжайте науку, проверяя другие жидкости, такие как молоко или яблочный сок.Будет ли теплое молоко замерзать быстрее, чем холодное? Или вообще переключите проект! Замерзает ли молоко быстрее, чем вода той же температуры? Наука заключается в том, чтобы угадывать, что произойдет, а затем проверять, правы ли вы. Теперь вы знаете, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, поэтому придумайте мозговой штурм для нового проекта, который вас интересует. Постоянно меняя свои эксперименты, вы продолжите изучать новые вещи — и станете гением науки!

Заявление об ограничении ответственности и меры предосторожности

Education.com предоставляет идеи проекта Science Fair для информационных
только для целей. Education.com не дает никаких гарантий или заверений
относительно идей проектов Science Fair и не несет ответственности за
любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких
Информация. Получая доступ к идеям проектов Science Fair, вы отказываетесь от
отказаться от любых претензий к Education.com, которые возникают в связи с этим. Кроме того, ваш
доступ к веб-сайту Education.com и идеям проектов Science Fair покрывается
Образование.com Политика конфиденциальности и Условия использования сайта, которые включают ограничения
об ответственности Education.com.

Настоящим дается предупреждение, что не все идеи проекта подходят для всех
индивидуально или при любых обстоятельствах. Реализация идеи любого научного проекта
должны проводиться только в соответствующих условиях и с соответствующими родительскими
или другой надзор. Прочтите и соблюдайте правила техники безопасности всех
Ответственность за использование материалов в проекте лежит на каждом отдельном человеке.Для
Для получения дополнительной информации обратитесь к справочнику по научной безопасности вашего штата.

Физика, почему горячая вода иногда замерзает быстрее, чем холодная |
Умные новости

История гласит, что в 1963 году танзанийский ученик старшей школы Эрасто Мпемба вместе со своим классом готовил мороженое, когда он нетерпеливо засыпал сахар и молочную смесь в маслобойку для мороженого, когда она была еще горячей, вместо того, чтобы дать ей сначала остыть. К его удивлению, кондитерское изделие остыло быстрее, чем его одноклассники.

С помощью профессора физики Мпемба провел дополнительные эксперименты, поместив два стакана воды, один только что кипяченой, а другой теплый, в морозильную камеру, и посмотрел, какой из них первым достиг финишной черты замерзания. Часто вода с более высокой начальной температурой замерзала первой. Их наблюдения положили начало многолетнему обсуждению существования и деталей контринтуитивного явления, которое теперь называется эффектом Мпембы.

Теперь новое исследование, опубликованное 5 августа в журнале Nature , не только показывает, что эффект Мпемба действительно существует, но и проливает свет на то, как он возникает, сообщает Эмили Коновер для Science News .

Вместо экспериментов по замораживанию воды, которые на удивление сложно изучать, физики Авинаш Кумар и Джон Беххофер из Университета Саймона Фрейзера сосредоточили свое внимание — и лазеры — на микроскопических стеклянных шариках. Они измерили, как стеклянные шарики перемещаются в воде в очень определенных условиях, и увидели, что в некоторых случаях шарики, которые начинали очень горячие, охлаждались быстрее, чем те, которые этого не делали.

«Это одна из этих очень простых схем, и она уже достаточно богата, чтобы показать этот эффект». Физик-теоретик из Университета Вирджинии Мария Вучелья рассказывает Science News . Эксперимент также предполагает, что эффект может проявляться не только в воде и стеклянных шариках, но и в других материалах. Вуцелья говорит: «Я могу представить, что этот эффект в природе проявляется довольно часто в других местах, только мы не обращали на него внимания».

Если точка замерзания является финишной чертой, то начальная температура аналогична начальной.Поэтому было бы разумно, если бы более низкая начальная температура и меньшее расстояние до финишной черты всегда достигали ее первой. Благодаря эффекту Мпемба иногда более горячая вода достигает финишной черты первой.

Но все становится сложнее. Во-первых, в воду обычно примешаны другие вещества, например, минералы. И физики расходятся во мнениях относительно того, какова точная финишная черта: когда вода в контейнере достигает температуры замерзания, начинает затвердевать или полностью затвердевает? Эти детали затрудняют непосредственное изучение этого явления, пишет Анна Демминг для журнала Physics World .

Новый эксперимент устраняет детали, которые делают эффект Мпембы таким мутным. В каждом тесте они бросали одну микроскопическую стеклянную бусину в небольшой колодец с водой. Там они использовали лазер для приложения контролируемых сил к шарику и измерили температуру шарика, согласно Science News . Они повторили тест более 1000 раз, бросая шарики в разные лунки и начиная с разных температур.

Под действием определенных сил лазера самые горячие шарики охлаждались быстрее, чем шарики с более низкой температурой.Исследования показывают, что более длинный путь от более высокой температуры до точки замерзания может создать короткие пути, чтобы температура горячего шарика могла достигнуть финишной черты раньше, чем более холодный шарик.

Bechhoefer описывает экспериментальную систему как «абстрактный» и «почти геометрический» способ изобразить эффект Мпембы в Physics World . Но, используя систему, он и Кумар определили оптимальные «начальные температуры» для охлаждающего эффекта Мпембы.

«Это вроде как предполагало, что все особенности воды и льда — все вещи, которые сделали первоначальный эффект таким трудным для изучения — могли быть в некотором роде второстепенными», — говорит Беххофер Physics World .

Новая теория объясняет, почему теплая вода замерзает быстрее, чем холодная

Лиз Уэст / Flickr

Это явление сбивает с толку самые блестящие умы мира со времен Аристотеля.

Команда физиков полагает, что они, возможно, разрешили многовековую тайну того, почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная.

Известный как эффект Мпемба, вода ведет себя в отличие от большинства других жидкостей, превращаясь в твердое тело быстрее из нагретого состояния, чем из комнатной температуры.

Ученые предложили десятки теорий, объясняющих, почему это может происходить, но ни одна из них не смогла удовлетворительно объяснить это странное физическое свойство.

Группа физиков из Технологического университета Наньян в Сингапуре опубликовала то, что, по их мнению, может быть решением.

Они утверждают, что объяснение кроется в необычном взаимодействии между молекулами воды.

Каждая молекула воды связана со своим соседом посредством сильно заряженной электромагнитной связи, известной как «водородная связь».«

Именно он вызывает поверхностное натяжение воды, а также дает ей более высокую, чем ожидалось, точку кипения по сравнению с другими жидкостями.

Однако доктор Сунь Чанцин и доктор Си Чжан из Наньянского технологического университета утверждают, что это также определяет то, как молекулы воды накапливают и выделяют энергию.

Они утверждают, что скорость, с которой выделяется энергия, зависит от начального состояния воды, и поэтому подсчитали, что горячая вода способна выделять энергию быстрее, когда ее помещают в морозильную камеру.

Доктор Чанцин сказал: «Процессы и скорость высвобождения энергии из воды по своей сути зависят от начального энергетического состояния источников».

Эффект Мпемба назван в честь студента из Танзании по имени Эрасто Мпемба, который заметил, что смесь горячего мороженого замерзает раньше, чем смесь холодного.

Вместе с профессором физики Университетского колледжа Дар-эс-Салама он опубликовал в 1969 году статью, в которой было показано, что равные объемы кипящей воды и холодной воды в одинаковых контейнерах замерзают в разное время, причем сначала замерзает горячая вода.

Подобные наблюдения, однако, были описаны в прошлом Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.

Эффект также может иметь некоторые последствия в реальном мире, например, использовать ли кипящую воду для размораживания лобового стекла вашего автомобиля в зимний день и являются ли трубы с горячей водой более склонными к замерзанию, чем трубы с холодной водой.

Некоторые люди отрицают, что этот эффект вообще существует и на самом деле является артефактом экспериментальной процедуры, но другие утверждают, что продемонстрировали его с помощью тщательно контролируемых экспериментов.

Существует ряд теорий, которые могут вызвать это, в том числе то, что испарение горячей воды означает, что меньше воды для замораживания.

Другая теория предполагает, что растворенные в воде газы выделяются в горячей воде, что делает ее более вязкой.

В прошлом году Королевское химическое общество предложило приз в 1000 фунтов стерлингов каждому, кто сможет объяснить, как работает эффект Мпембы.

Никола Брегович, научный сотрудник химического факультета Загребского университета, был объявлен лауреатом этой премии в начале этого года.

Он проводил эксперименты, используя химические стаканы с водой в своей лаборатории, и его итоговая статья предполагала, что причиной, вероятно, является эффект конвекции.

Он сказал, что конвекционные потоки, возникающие в теплой воде, вызывают ее более быстрое охлаждение.

Однако д-р Чанцин и д-р Чжан попытались дополнительно объяснить эффект, исследуя процесс на молекулярном уровне.

На прошлой неделе они опубликовали статью в журнале Scientific Reports, показывающую, как молекулы воды располагаются при образовании льда.

Они также опубликовали статью по химической физике arXiv, в которой объясняется эффект Мпемба.

Они говорят, что взаимодействие между водородными связями и более прочными связями, которые удерживают атомы водорода и кислорода в каждой молекуле вместе, известное как ковалентные связи, и есть то, что вызывает эффект.

Обычно, когда жидкость нагревается, ковалентные связи между атомами растягиваются и накапливают энергию.

Ученые утверждают, что в воде водородные связи производят необычный эффект, который заставляет ковалентные связи сокращаться и накапливать энергию при нагревании.

Это, по их словам, приводит к тому, что облигации высвобождают свою энергию экспоненциально по сравнению с первоначальным количеством, хранящимся при охлаждении в морозильной камере.

Таким образом, горячая вода будет терять больше энергии быстрее, чем холодная вода.

Д-р Чанцин сказал: «Нагревание накапливает энергию, укорачивая и укрепляя ковалентную связь Н-О.

«Охлаждаясь в холодильнике, связь H-O высвобождает свою энергию со скоростью, которая экспоненциально зависит от первоначально накопленной энергии, и поэтому возникает эффект Мпембы».

Королевское химическое общество получило более 22 000 ответов на свой призыв к решению проблемы эффекта Мпембы, и оно все еще получает теории, несмотря на закрытие конкурса год назад.

Г-н Брегович, который был признан группой экспертов разработавшей лучшее решение на конференции в Имперском колледже Лондона в прошлом году, сказал: «Эта небольшая простая молекула поражает и интригует своей магией».

Эней Винер из Имперского колледжа, который участвовал в оценке конкурса, добавил: «Новая статья демонстрирует, что, хотя явление кажется простым, более глубокое изучение обнаруживает еще большую сложность — и на это, безусловно, стоит обратить внимание.

«Мы надеемся, что это вдохновит молодых людей на научные исследования».

Доктор Денис Осборн, преподаватель Университетского колледжа в Дар-эс-Саламе, опубликовавший вместе с г-ном Мпембой статью о наблюдаемом ими эффекте, сказал: «Несколько различных механизмов могут вызывать или способствовать эффекту Мпембы.

«То, что авторы описывают как свойство связывания H2O, может быть одним из них».

: Журнал ChemViews :: ChemistryViews

Как горячая вода замерзает быстрее холодной?

Вода хорошо известна как аномальный материал.В его физических и химических свойствах, упомянутых в учебниках, есть множество особенностей: противоречащие тенденциям точки кипения и замерзания, тот факт, что он расширяется при замерзании, и его относительно высокая вязкость по сравнению с другими жидкостями, которые должны быть похожими. Большая часть объяснения этих ошибочных явлений заключается в существовании водородных связей между предельными положительными зарядами на атомах водорода и неподеленными парами электронов на атомах кислорода в молекулах воды, которые взаимодействуют друг с другом.

Однако одно наблюдение осталось загадочным. В 1963 году Эрасто Батоломео Мпемба заметил в воде нечто необычное. На самом деле Мпемба наблюдал за смесью мороженого, которое было горячим из кулинарного класса и заморожено до того, как смесь была холодной. Эффект, экспериментально отмеченный Мпембой, который в то время был 13-летним школьником, заключался в том, что теплая вода замерзает быстрее, чем холодная? Было ли это правдой и как такое могло быть?

Денис Г.Осборн из Университетского колледжа в Дар-эс-Саламе, Танзания, столкнулся с этой проблемой в школе Мпембы, когда читал гостевую лекцию по физике: «Если вы возьмете два одинаковых контейнера с равными объемами воды, один с температурой 35 ° C, а другой с 100 ° C, и поместите их в морозильную камеру, та, которая начиналась при 100 ° C, замерзает первой. Почему? » Осборн провел необходимые эксперименты в своей лаборатории и подтвердил наблюдение школьника; пара опубликовала совместную работу в 1969 г. [1].

Как может быть так, что горячая вода замерзает быстрее холодной? Несомненно, что тепловая энергия, удерживаемая в теплой воде, выше, чем в холодном образце, будет означать, что при охлаждении необходимо рассеять больше тепла, прежде чем теплая вода сможет замерзнуть. За прошедшие полвека или около того были предложены бесконечные объяснения, среди которых эффекты испарения, при которых просто меньше воды для замораживания, конвекционные потоки, которые ускоряют рассеивание тепла, изолирующие эффекты мороза, которые видят, как холодная вода замерзает сверху и, таким образом, задерживает тепло ниже, примеси и растворенные вещества, эффекты теплопроводности, растворенные газы и так далее.Опровержений, наверное, столько же, сколько и объяснений.

Новая компьютерная модель воды

Химик Дитер Кремер из Южного методистского университета в Техасе, США, и его коллеги исследовали колебательные спектры водных кластеров и построили новую компьютерную модель воды, основанную на квантово-химических расчетах, которая более пристально, чем когда-либо прежде, рассматривает природу водорода. облигации. Водородные связи существуют лишь временно в жидкой воде и почти отсутствуют в водяном паре.Во льду сеть водородных связей практически заморожена. Одна вещь, которая, возможно, не очевидна с первого взгляда на водородные связи в воде, — это то, что не все они созданы равными. Прочность связи варьируется в зависимости от временных сетей в жидкой воде, поскольку кластеры воды собираются и распадаются. В любой момент времени могут существовать сети молекул воды, соединенные вместе с горсткой молекул, в то время как другие обширные сети с сотнями молекул могут существовать временно.

Группа Кремера в Техасе и его коллеги из Нанкинского университета, Китай, определили и оценили 16 из 36 различных типов водородных связей, которые они идентифицировали в воде, и обнаружили, что на противоположных концах спектра прочности связи имеется относительно прочный, более ковалентный водород. связи, а с другой стороны, гораздо более слабые, более электростатические связи.По сути, команда определила поразительную линейную зависимость между внутренней силой водородных связей, измеренной с помощью локальной константы силы растяжения Н-связи, и энергией делокализации, связанной с переносом заряда от неподеленной кислородной пары одной воды к связи ОН. соседней молекулы воды. Они смоделировали сети, содержащие тысячи молекул воды, соединенных водородными связями, и обнаружили, что при более высоких температурах преимущественно электростатические (в отличие от более ковалентных) водородные связи в значительной степени разрываются, тогда как количество сильных водородных связей увеличивается.

Если мы упрощенно представим себе только два различных типа водородных связей в воде — слабый тип и сильный тип — в горячей воде присутствует намного больше сильных водородных связей, чем в холодной. Другими словами, сеть водородных связей, хотя и временная, в горячей воде разрушается с большей неохотой, чем сеть водородных связей в холодной воде. Таким образом, жидкая горячая вода, охлажденная быстро, уже имеет представление о том, как будет замерзать ее сеть водородных связей, тогда как преимущественно слабые водородные связи в холодной воде будут постоянно перетасовываться, поскольку она быстро остывает, пока не будет недостаточно тепловой энергии для преодоления их движений, и они в конечном итоге станут заморожены так же, как крепкие скрепы в горячей воде.

Колебательная спектроскопия предлагает новый взгляд на водородные связи, в то время как квантово-химические расчеты подтверждают идею о разной силе водородных связей. «Эффект был известен Аристотелю и использовался в средневековье, а также заново открыт Мпембой», — сказал Кремер журналу ChemViews Magazine . «Это было подтверждено десятками исследователей, и были разные объяснения. Мы впервые смогли предложить молекулярное объяснение, потому что мы первыми смогли различить различные водородные связи в жидкой воде и кластерах воды, используя их колебательные свойства. «.

Затем команда расширит моделирование молекулярной динамики на более длительное время и при различных температурах, они также будут исследовать растворенные вещества в жидкой воде, особенно белки и процессы их сворачивания в водном растворе. Последние эксперименты могут помочь объяснить роль воды в сворачивании белков. Более того, то, что еще предстоит доказать, — это детальный процесс зародышеобразования, который приводит к образованию льда и всех его структур, а также к сопутствующим явлениям, таким как переохлаждение.

Водородная связь между двумя молекулами воды, одна из которых является акцептором A водородной связи, а другая — донором D водородной связи: D – H … A, зависит от того, что делают другие периферические молекулы воды. Н-связь усиливается, если две молекулы воды подталкивают электронную плотность к А и оттуда в Н-связь, тогда как две другие молекулы воды притягивают электронную плотность от D к себе, тем самым поляризуя связь D – Н. Обнаружено, что этот двухтактный эффект приводит к самым прочным водородным связям.Если димер D – H … A окружен шестью, а не четырьмя периферическими молекулами воды, эффект пушпула ослабляется, поскольку дополнительные молекулы воды конкурируют за электронную плотность. В третьей ситуации связь еще слабее, поскольку две из четырех двухтактных молекул воды отсутствуют.

Это три случая сильных или слабых водородных связей, но исследователи смогли выделить 16 различных водородных связей, которые являются основными участниками сложного взаимодействия взаимодействий водородных связей в воде.

В то время как предыдущая работа была сосредоточена на понимании геометрии небольших кластеров воды, команда выделила 16 различных водородных связей на основе их прочности связи, используя их локальные колебательные моды. Они могли отличить более сильные (более ковалентные) от более слабых (электростатических) водородных связей, где последние легче разрушаются при повышении температуры. При более высоких температурах в жидкой воде имеются более мелкие кластеры воды (подтверждено расчетами MDS), которые могут легче терять свою избыточную энергию в окружающую среду, так что охлаждение происходит быстрее.Зарождение зародышей и образование льда также происходит легче, поскольку более мелкие кластеры с их более прочными водородными связями могут легче образовывать регулярную решетку льда. В холодной воде многие слабые водородные связи сети водородных связей должны быть сначала разорваны, чтобы сформировать небольшие водные кластеры, подходящие для построения ледяной решетки. Это требует энергии и времени.

[1] Эрасто Б. Мпемба, Денис Г. Осборн, Cool ?, Phys. Educ. Inst. Phys. 1969 , 4 , 172–175. DOI: 10.1088 / 0031-9120

Что быстрее замерзает, горячая или холодная вода?

Спрашивает: Бен Кобб

Ответ

При прочих равных условиях холодная вода замерзает быстрее.

Требуется время, чтобы энергия, содержащаяся в горячем объекте, передалась холодному объекту. Однако скорость передачи тепла пропорциональна температуре

разница между двумя объектами, поэтому горячая вода теряет тепло быстрее, чем холодная.Другими словами, если у вас есть вода с температурой 90 градусов Цельсия и вода с температурой 10 градусов Цельсия, а температура в морозильной камере -10 градусов Цельсия, горячая вода будет терять тепло в пять раз быстрее, чем холодная вода; однако холодная вода все равно выиграет гонку. Как горячая вода

охлаждает его скорость теплопередачи уменьшится, поэтому никогда не догонит до холодной воды.

Некоторые люди утверждают, что горячая вода замерзает быстрее, потому что кастрюлю с кипящей водой можно выбросить в воздух холодным зимним днем, и она замерзает в воздухе, создавая

ливень из ледяных кристаллов.В то время как горшок с холодной водой, брошенный в воздух, опускается вниз большими каплями воды. Это происходит потому, что горячая вода так близка к

пар , что при подбрасывании его в воздух он разбивается на крошечные капли. (Горячая вода менее вязкая, чем холодная вода , прислушайтесь к звуку, который она издает, когда вы наливаете ее в раковину) Маленькие капли воды имеют большую площадь поверхности, что позволяет испаряться и быстро отводить тепло. И наконец, охлажденные капельки настолько малы, что их легко замораживает зимний воздух.Все это происходит до того, как вода упадет на землю. Холодная вода более густая и липкая, она не распадается на такие мелкие кусочки, когда бросается в воздух, поэтому стекает большими каплями.