Почему горячая вода замерзает быстрее чем холодная кратко

Обновлено: 06.07.2024

На самом деле, если одновременно поставить в морозильную камеру два одинаковых по форме и объёму сосуда, в одном из которых будет холодная вода, а в другом горячая, то быстрее замёрзнет именно горячая вода.

Подобное утверждение может показаться абсурдным и неразумным. Если следовать логике, то горячая вода должна сначала остыть до температуры холодной, а холодная в этой время должна уже уже превратится в лёд.

Так почему же горячая вода обгоняет холодную на пути к замерзанию? Попробуем разобраться.

История наблюдений и исследований

Парадоксальный эффект люди наблюдали ещё с давних времён, но никто не придавал ему особого значения. Так не состыковки по скорости замерзания холодной и горячей воды отмечал в своих записях Арестотель, а также Рене Декарт и Френсис Бэкон. Необычное явление часто проявлялось в быту.

Долгое время явление никак не изучалось и не вызывало особого интереса среди учёных.

Начало изучения необычного эффекта было положено в 1963 году когда любознательный школьник из Танзании — Эрасто Мпемба, заметил, что горячее молоко для мороженного замерзает быстрее чем холодное. В надежде получить объяснение причин возникновения необычного эффекта, молодой человек задал вопрос своему учителю физики в школе. Однако учитель лишь посмеялся над ним.

Позднее Мпемба повторил эксперимент, однако в своём опыте он использовал уже не молоко, а воду и парадоксальный эффект вновь повторился.

Спустя 6 лет — в 1969 году Мпемба задал этот вопрос профессору физики Деннису Осборну приехавшему в его школу. Профессора заинтересовало наблюдение юноши, в итоге был проведён эксперимент, который подтвердил наличие эффекта, однако причин данного феномена установлено не было.

С тех пор явление называли эффектом Мпембы.

За всю историю научных наблюдений было выдвинуто множество гипотез о причинах возникновения феномена.

Наиболее распространённой была версия согласно которой, горячая вода замерзает быстрее, так как она просто быстрее испаряется, её объём становится меньше, и по мере уменьшения объёма, скорость её остывания увеличивается. Самая распространённая версия в итоге была опровергнута так как был проведён эксперимент, в котором было исключено испарение, а эффект тем не менее подтверждался.

Другие учёные считали, что причина эффекта Мпембы заключается в испарении растворённых в воде газов. По их мнению, в процессе нагревания испаряются растворённые в воде газы, за счёт чего она обретает более высокую плотность чем холодная. Как известно, повышение плотности приводит к изменению физических свойств воды (увеличению теплопроводности), а следовательно и увеличению скорости охлаждения.

Помимо этого, был выдвинут ряд гипотез, описывающих скорость циркуляции воды, в зависимости от температуры. Во многих исследованиях была предпринята попытка установить взаимосвязь между материалом контейнеров в которых располагалась жидкость. Очень многие теории казались весьма правдоподобными, однако научно подтвердить их не удавалось из-за недостатка исходных данных противоречиях в других экспериментах, или же из-за того, что выявленные факторы были просто не сопоставимы со скоростью охлаждения воды. Некоторые учёные в своих работах ставили под сомнение существование эффекта.

В 2013 году, исследователи из Технологического университета Наньян в Сингапуре заявили, что разгадали загадку эффекта Мпембы. Согласно проведённому ими исследованию, причина феномена кроется в том, что количество энергии, запасённой в водородных связях между молекулами холодной и горячей воды существенно отличается.

Методы компьютерного моделирования показали следующие результаты: чем выше температура воды, тем большим оказывается расстояние между молекулами из-за того, что отталкивающие силы увеличиваются. А следовательно водородные связи молекул растягиваются, запасая большее количество энергии. При охлаждении молекулы начинают сближаться друг с другом, высвобождая энергию из водородных связей. При этом отдача энергии сопровождается понижением температуры.

В октябре 2017 года Испанские физики в ходе очередного исследования выяснили, что большую роль в формировании эффекта играет именно выведение вещества из равновесия (сильный нагрев перед сильным охлаждением). Они определили условия при которых вероятность проявления эффекта максимальна. Помимо этого, ученые из Испании подтвердили существование обратного эффекта Мпембы. Они выявили, что при нагревании более холодный образец может достичь высокой температуры быстрее, чем теплый.

Не смотря на исчерпывающие сведения и многочисленные эксперименты, учёные намерены продолжать изучение эффекта.

Эффект Мпембы в реальной жизни

А вы года нибудь задумывались почему в зимнее время каток заливают горячей водой, а не холодной? Как вы уже поняли, делают это потому, что каток залитый горячей водой замёрзнет быстрее, чем если бы его заливали холодной. По той же причине горячей водой заливают горки в зимних ледовых городках.

Таким образом, знание о существовании феномена позволяет людям сэкономить время при подготовке площадок для зимних видов спорта.

Помимо этого, эффект Мпембы иногда используется и в промышленности — для сокращения времени заморозки продуктов, веществ и материалов, содержащих воду.

Тест на эрудицию

Оцените насколько разносторонне вы развиты, пройдите
тест на эрудицию!

В природе есть много парадоксов и удивительных явлений. Об одном из них мы и поговорим здесь. Казалось бы, холодная вода должна замерзать быстрее, чем горячая, просто потому, что её температура ближе к 0 градусам Цельсия. Но оказывается, что всё совсем не так просто.

История.

Тот факт, что чем горячее вода, тем быстрее она остывает, был отмечен ещё Аристотелем. Это вполне логично, поскольку более высокая температура приводит к испарению и излучению тепла. Испарение же, в свою очередь, - эндотермический процесс (то есть идёт с поглощением тепла), что и приводит к более быстрому охлаждению. Тут всё понятно, но этот факт не влияет на замерзание воды при её дальнейшем охлаждении, а это как раз самое интересное. В 1963 году танганьикский (нынешняя Танзания) школьник Эрасто Мпемба обратил внимание что горячая смесь для приготовления мороженого застывает быстрее чем холодная. С вопросом почему так происходит он обратился к приехавшему в его школу физику Деннису Осборну. Оказалось, что разумного научного объяснения этому явлению нет. Тогда они вдвоём опубликовали статью статью, в которой и описали проблему. С тех пор этот парадокс и получил своё название.

В статье была описана следующая серия экспериментов:

В лабораторные стаканчики наливали по 70 мл воды различной температуры (от 25 до 90 градусов Цельсия). Эти стаканчики помещали в морозильную камеру и засекали время, через которое вода начнёт застывать. Получили вот такой график:

Те есть если поставить в морозилку одновременно два стакана с водой, в первом из которых будет вода комнатной температуры (25 градусов Цельсия), а во втором почти кипяток (90 градусов Цельсия), то второй стакан застывает в 3 раза быстрее! Согласитесь, это кажется весьма абсурдным и слабо укладывается в голове. Да, можно представить что горячая вода теряет свою температуру быстрее чем холодная. Но ведь рано или поздно вода во втором стакане охладится до тех же 25 градусов и сравняется с изначальной температурой первого, вода в котором, за это время должна была уже охладиться до ещё более низкой температуры и всё равно быть "впереди" на пути к замерзанию. Но на то это и парадокс.

Конечно же многие ученые пытались найти объяснения такому странному явлению. Было высказано много предположений, вот несколько из них:

Горячая вода начинает испаряться. В морозилке пар застывает и падает обратно в стакан, образовывая корку льда
Испарение части горячей воды стакана приводит к уменьшению её объема, а меньший объём воды замерзает быстрее. В герметичных стаканах холодная вода должна замерзать быстрее.
Контейнер с горячей водой плавит под собой снег (который может быть в морозильной камере), улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозильника. При отсутствии снеговой подкладки стакан с холодной водой должен замерзать быстрее.
Холодная вода начинает замерзать сверху, это ухудшает дальнейшую теплоотдачу, а горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
Возможно причиной является наличие примесей в горячей воде. Они могут служить центрами кристаллизации и ускорять образование льда. При малом количестве таких центров превращение воды в лёд затруднено. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.

Однако, за счёт дополнительных экспериментов в разных условиях было показано, что вышеперечисленные факторы не являются причиной эффекта. Было предложено ещё много других версий и теорий, объясняющих эффект, но позже они опровергались.

Разгадка?

На сегодняшний день считается, что данный эффект связан с особенностями связи молекул воды. Каждая молекула воды состоит из относительно большого атома кислорода и двух маленьких атомов водорода, которые связаны между собой ковалентной связью (это довольно сильная химическая связь). Но когда молекул воды несколько, атомы водорода одной молекулы начинают взаимодействовать с кислородом соседней молекулы, образуется так называемая водородная связь. Она гораздо слабее ковалентной, но тоже очень важны. Если упростить, то такая конфигурация связей в молекулах воды приводит к тому, что при её охлаждении выделяется дополнительная энергия, которая служит "подогревом" и тормозит процесс охлаждения. А вот в горячей воде увеличение расстояния между молекулами приводит к "растягиванию" связей и уменьшению запаса энергии. То есть в этом случае ничего не мешает процессу охлаждения и от того она замерзает быстрее. Такое объяснение хорошо подтверждается экспериментально, поэтому оно считается наиболее вероятным, хотя научные споры на эту тему всё ещё продолжаются.

Эффект Мпембы (Mpemba Effect) был в том, что при одинаковых количествах горячей воды и холодной воды в двух соответствующих одинаковых сосудах в холодильнике, замерзает тот сосуд первым, в котором была горячая вода.

Оказывается, что эффект этот был известен со времён Аристотеля, и своё решение этой задачи даже имел Ренэ Декарт. Королевское Химическое Общество в 2012 г даже объявило конкурс на самое лучшее объяснение этого эффекта. Результатом конкурса были около 20000 заявок-объяснений. Эти сведения отсюда.

Финальная точка всё же была поставлена в 2016 г, в статье учёных из Кембриджа, опубликованная в Scientific Reports, где впервые с высокой достоверностью был проверен эффект Мпембы. Результат нулевой.

Такого эффекта нет и горячая вода замерзает, как и положено ей, позже холодной воды. Задача, которой около 2500 лет, оказалась некорректной.

Ещё древнегреческие философы и ученые, такие как Аристотель, обращали внимание на это нелогичное явление в быту и отмечали его в своих работах, но на вопросе не заостряли внимания.

Изучать необычный эффект начали в 1963 году благодаря простому школьнику из Восточной Африки. Любознательный Эрасто Мпемба, готовя мороженое, обратил внимание, что горячее молоко замерзает быстрее, чем холодное. Учитель по физике Эрасто лишь посмеялся над мальчишкой. Но школьник был настойчив и продолжил изучать открытие, используя вместо молока воду. Результат был одинаков – кипяток застывал быстрее.

Самые распространенные гипотезы:

Горячая вода замерзает быстрее, потому что быстрее испаряется. Объем жидкости уменьшается – скорость остывания увеличивается. Но для чистоты эксперимента создали условия, при которых испарения не происходило. Результат не изменился – кипяток застыл быстрее. Версия была опровергнута. Причина кроется в испарении растворенных в воде газов. При нагревании газы испаряются, плотность воды меняется. Повышение плотности увеличивает теплопроводность, охлаждение происходит быстрее. Температура воды влияет на расстояние между молекулами. Чем она выше, тем сильнее отталкивающая сила и тем больше расстояние. При охлаждении молекулы сближаются, выделяя энергию. Отдача энергии сопровождается понижением температуры. К таким выводам пришли ученые из Сингапура в 2013 году. В 2017 году физики из Испании заявили, что феномен вызван сильным нагревом жидкости перед охлаждением. При этом работает феномен при определенных температурах. Эти же ученые изучили обратный эффект, когда холодный образец застывает быстрее.

Пока одни учёные проводят эксперименты и ищут связь между водой, её температурой и материалом, из которой изготовлена ёмкость, другие ставят под сомнение реальность эффекта. Поиск ответа на вопрос продолжается.

Читайте также: