Вода замерзает моментально. Почему горячая вода замерзает быстрее холодной

В этой статье мы рассмотрим вопрос, почему горячая вода замерзает быстрее холодной.

Нагретая вода замерзает намного быстрее, чем холодная! Это удивительное свойство воды, точное объяснение которому ученые не могут найти до сих пор, известно с древнейших времен. Например, еще у Аристотеля встречается описание зимней рыбалки: рыбаки вставляли удочки в отверстия во льду, и, чтобы они скорее вмерзли, поливали лед теплой водой. Название этого явления получило по имени Эрасто Мпембы в 60-е годы XX века. Мнемба заметил странный эффект, когда готовил мороженое, и обратился за объяснениями к своему преподавателю физики — доктору Денису Осборну. Мпемба и доктор Осборн экспериментировали с водой разной температуры и сделали вывод: почти кипящая вода начинает замерзать гораздо быстрее, чем вода комнатной температуры. Другие ученые проводили собственные эксперименты и каждый раз получали похожие результаты.

Объяснение физического явления

Общепризнанного объяснения, почему же так происходит, пока нет. Многие исследователи предполагают, что все дело в переохлаждении жидкости, которое происходит, когда ее температура опускается ниже температуры замерзания. Иначе говоря, если вода замерзает при температуре ниже 0°С, то переохлажденная вода может иметь температуру, к примеру, -2°С и при этом оставаться жидкой, не превращаясь в лед. Когда мы пытаемся заморозить холодную воду, есть вероятность, что она сначала переохладится, а затвердеет только через какое-то время. В нагретой воде происходят другие процессы. Ее более быстрое превращение в лед связывают с конвекцией.

Конвекция — это физическое явление, при котором теплые нижние слои жидкости поднимаются, а верхние, остывшие, опускаются.

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:

1. Мороз является диэлектриком, и поэтому морозная холодная вода хранит тепло лучше, чем теплый стакан, что плавит лед, соприкасаясь с ним
2. В холодной воде больше растворенных газов, чем в теплой, и исследователи предполагают, что это может играть роль в скорости охлаждения, хотя пока непонятно как
3. Горячая вода теряет больше водных молекул за счет испарения, поэтому их меньше остается для заморозки
4. 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.

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

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

Как поваренок из Африки победил британского профессора физики

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

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

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

Виноваты пылинки и растворенные вещества?

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

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

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

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

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.

На то, какая вода быстрее замерзает, горячая или холодная, влияет множество факторов, но сам по себе вопрос кажется немного странным. Подразумевается, и это известно из физики, что горячей воде еще нужно время для того, чтобы остыть до температуры сравниваемой холодной воды, чтобы превратиться в лед. Холодной воде этот этап можно пропустить, а, соответственно, по времени она выигрывает.

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

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

"Это не всемирная физика, а какая-то физика Мпембы"

В тот раз учитель только посмеялся над этим, но Денисс Осборн, профессор физики, который в свое время заехал в ту же школу, где учился Эрасто, экспериментально подтвердил наличие такого эффекта, хотя и объяснения тогда этому не нашлось. В 1969 году в популярном научном журнале вышла совместная статья этих двух людей, которые описали этот своеобразный эффект.

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

Вопрос возникал давно

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

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

Условия для того, чтобы произошел парадокс

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

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

Давно размораживали морозилку

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

Верх - внизу

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

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

Примеси в составе воды как фактор, влияющий на исход

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

Но все эти версии, видно, не до конца устраивали ученых и они продолжали работать над этим вопросом. В 2013 году команда исследователей в Сингапуре заявила, что им удалось разгадать вековую загадку.

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

Разгадка от китайских ученых

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

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

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

Но вопрос все еще открыт

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