Коя вода замръзва по-бързо, топла или студена, се влияе от много фактори, но самият въпрос изглежда малко странен. Разбираемо е и е известно от физиката, че горещата вода все още се нуждае от време, за да се охлади до температурата на сравнима студена вода, за да се превърне в лед. Студената вода може да прескочи този етап и съответно печели във времето.

Но отговорът на въпроса коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща - на улицата в слана, всеки жител на северните ширини знае. Всъщност научно се оказва, че във всеки случай студената вода просто трябва да замръзне по-бързо.

Така направи и учителят по физика, към когото ученикът Ерасто Мпемба се обърна през 1963 г. с молба да обясни защо студената смес от бъдещ сладолед замръзва по-дълго от подобна, но гореща.

„Това не е световна физика, а някакъв вид физика на Мпемба“

По това време учителят само се засмя на това, но Денис Осборн, професор по физика, който по едно време отиде в същото училище, където учи Ерасто, експериментално потвърди съществуването на такъв ефект, въпреки че тогава нямаше обяснение за това . През 1969 г. популярно научно списание публикува съвместна статия на двамата мъже, които описват този особен ефект.

Оттогава, между другото, въпросът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, има свое име - ефектът или парадоксът Mpemba.

Въпросът стои отдавна

Естествено, подобно явление се е случвало и преди и е споменато в трудовете на други учени. Не само ученикът се интересуваше от този въпрос, но Рене Декарт и дори Аристотел мислеха за това по едно време.

Ето само подходите за разрешаване на този парадокс започнаха да се търсят едва в края на ХХ век.

Условия за възникване на парадокс

Както при сладоледа, по време на експеримента не замръзва обикновена вода. Трябва да са налице определени условия, за да започнем да спорим коя вода замръзва по-бързо – студена или гореща. Какво влияе върху този процес?

Сега, в 21-ви век, бяха представени няколко варианта, които могат да обяснят този парадокс. Коя вода замръзва по-бързо, гореща или студена, може да зависи от факта, че има по-висока скорост на изпарение от студената вода. Така нейният обем намалява, а с намаляване на обема времето за замръзване става по-кратко, отколкото ако вземем подобен първоначален обем студена вода.

Фризерът отдавна е размразен

Коя вода замръзва по-бързо и защо го прави, може да бъде повлияно от снежната обвивка, която може да присъства във фризера на хладилника, използван за експеримента. Ако вземете два контейнера с еднакъв обем, но единият от тях ще има топла вода, а другият студена вода, контейнерът с гореща вода ще разтопи снега под него, като по този начин ще подобри контакта на термичното ниво със стената на хладилника. Контейнер със студена вода не може да направи това. Ако в хладилника няма такава подплата със сняг, студената вода трябва да замръзне по-бързо.

Горе долу

Също така феноменът коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, се обяснява по следния начин. Следвайки определени закони, студената вода започва да замръзва от горните слоеве, когато топлата го прави обратното - започва да замръзва отдолу нагоре. Оказва се, че студената вода, имайки студен слой отгоре с вече образуван лед на някои места, по този начин влошава процесите на конвекция и топлинно излъчване, като по този начин обяснява коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща. Приложена е снимка от любителски опити и тук се вижда ясно.

Топлината излиза навън, като се стреми нагоре и там среща много хладен слой. Няма свободен път за топлинно излъчване, така че процесът на охлаждане става труден. Топлата вода няма абсолютно никакви такива бариери по пътя си. Кое замръзва по-бързо - студено или горещо, от което зависи вероятният резултат, можете да разширите отговора, като кажете, че всяка вода има определени вещества, разтворени в нея.

Примесите в състава на водата като фактор, влияещ върху резултата

Ако не мамите и използвате вода със същия състав, където концентрациите на определени вещества са идентични, тогава студената вода трябва да замръзне по-бързо. Но ако възникне ситуация, когато разтворените химични елементи присъстват само в гореща вода, докато студената вода не ги притежава, тогава горещата вода има възможност да замръзне по-рано. Това се обяснява с факта, че разтворените вещества във водата създават центрове на кристализация и при малък брой от тези центрове превръщането на водата в твърдо състояние е трудно. Възможно е дори преохлаждане на водата, в смисъл, че при минусови температури тя ще бъде в течно състояние.

Но всички тези версии, очевидно, не отговарят на учените до края и те продължават да работят по този въпрос. През 2013 г. екип от изследователи в Сингапур заяви, че е разрешил вековната мистерия.

Група китайски учени твърдят, че тайната на този ефект се крие в количеството енергия, което се съхранява между водните молекули в нейните връзки, наречени водородни връзки.

Отговорът на китайски учени

Следва допълнителна информация, за чието разбиране е необходимо да имате известни познания по химия, за да разберете коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена. Както знаете, той се състои от два атома Н (водород) и един атом О (кислород), държани заедно чрез ковалентни връзки.

Но водородните атоми на една молекула също се привличат към съседните молекули, към техния кислороден компонент. Тези връзки се наричат ​​водородни връзки.

В същото време си струва да запомните, че в същото време водните молекули действат отблъскващо една на друга. Учените отбелязват, че когато водата се нагрява, разстоянието между нейните молекули се увеличава и това се улеснява от отблъскващи сили. Оказва се, че заемайки едно разстояние между молекулите в студено състояние, може да се каже, че те се разтягат и имат по-голям запас от енергия. Именно този енергиен резерв се освобождава, когато водните молекули започнат да се приближават една към друга, тоест настъпва охлаждане. Оказва се, че по-големият запас от енергия в горещата вода и по-голямото й освобождаване при охлаждане до минусови температури става по-бързо, отколкото в студената вода, която има по-малък запас от такава енергия. И така, коя вода замръзва по-бързо - студена или гореща? На улицата и в лабораторията трябва да се случи парадоксът Mpemba и горещата вода трябва да се превърне в лед по-бързо.

Но въпросът все още е отворен

Има само теоретично потвърждение на тази следа - всичко това е написано в красиви формули и изглежда правдоподобно. Но когато експерименталните данни, коя вода замръзва по-бързо - гореща или студена, бъдат поставени в практически смисъл и резултатите от тях бъдат представени, тогава ще бъде възможно да се счита въпросът за парадокса на Мпемба за приключен.

Мпемба ефект или защо горещата вода замръзва по-бързо от студената? Ефектът на Мпемба (парадокс на Мпемба) е парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода в процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните представи, според които при едни и същи условия на по-горещо тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-хладно тяло, за да се охлади до същата температура. Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт, но едва през 1963 г. танзанийският ученик Ерасто Мпемба установява, че горещата смес за сладолед замръзва по-бързо от студената. Ерасто Мпемба е бил ученик в гимназията Магамбин в Танзания и се е занимавал с готварска практика. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари мляко, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и е протакал първата част от задачата. Страхувайки се, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещото мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададена технология. След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода. Във всеки случай, вече като ученик в гимназията Мквава, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар ес Салам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на учениците) за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия от тях водата да има температура 35 ° C, а в другия - 100 ° C, и ги сложете във фризера, след което във втория водата ще замръзне по-бързо, защо? Озбърн се заинтересува от този въпрос и скоро през 1969 г., заедно с Мпемба, те публикуват резултатите от своите експерименти в списанието "Physics Education". Оттогава ефектът, който откриха, се нарича ефект на Мпемба. Досега никой не знае как точно да обясни този странен ефект. Учените нямат нито една версия, въпреки че има много. Всичко е свързано с разликата в свойствата на топлата и студената вода, но все още не е ясно кои свойства играят роля в този случай: разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху водата при различни температури. Парадоксът на ефекта Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При същия ефект водата при 100°C се охлажда до 0°C по-бързо от същото количество вода при 35°C. Това обаче все още не означава парадокс, тъй като ефектът на Мпемба може да бъде обяснен и в рамките на известната физика. Ето няколко обяснения за ефекта Мпемба: Изпаряване Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява неговия обем, а по-малък обем вода при същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100 C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0 C. Ефектът от изпарението е двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, е намалена. И второ, температурата намалява поради факта, че топлината на изпарение на прехода от водната фаза към парната фаза намалява. Температурна разлика Поради факта, че температурната разлика между топлата вода и студения въздух е по-голяма - следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и топлата вода се охлажда по-бързо. Преохлаждане Когато водата се охлади под 0 C, тя не винаги замръзва. При определени условия той може да претърпи свръхохлаждане, като същевременно продължава да остава течен при температури под точката на замръзване. В някои случаи водата може да остане течна дори при температура от -20 C. Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако не са в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да започнат спонтанно да се образуват кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки ледена каша, която ще замръзне и ще образува лед. Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й елиминира разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали. Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? При студена вода, която не е преохладена, се получава следното. В този случай на повърхността на съда ще се образува тънък слой лед. Този слой лед ще действа като изолатор между водата и студения въздух и ще предотврати по-нататъшно изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-малка. В случай на преохлаждане на гореща вода, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх. Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед. Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba. Конвекция Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу. Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4 C. Ако охладите водата до 4 C и я поставите на по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е по-малко плътна от водата при 4°C, тя ще остане на повърхността, образувайки тънък студен слой. При тези условия на повърхността на водата за кратко време ще се образува тънък слой лед, но този слой лед ще служи като изолатор, защитаващ долните слоеве вода, които ще останат при температура от 4 C. Следователно , по-нататъшното охлаждане ще бъде по-бавно. При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-голяма температурна разлика. Освен това слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, повдигайки слоя топла вода на повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата. Но защо този процес не достига до точката на равновесие? За да се обясни ефектът Mpemba от тази гледна точка на конвекцията, би трябвало да се приеме, че студените и горещи слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4 C. Въпреки това, няма експериментални данни това би потвърдило тази хипотеза, че слоевете студена и гореща вода са разделени чрез конвекция. Газове, разтворени във вода Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден диоксид. Тези газове имат способността да понижават точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода при висока температура е по-ниска. Следователно, когато горещата вода се охлажда, в нея винаги има по-малко разтворени газове, отколкото в незагрята студена вода. Следователно точката на замръзване на нагрятата вода е по-висока и тя замръзва по-бързо. Този фактор понякога се счита за основен при обяснението на ефекта Мпемба, въпреки че няма експериментални данни, потвърждаващи този факт. Топлопроводимост Този механизъм може да играе важна роля, когато водата се поставя във фризерен хладилник в малки контейнери. При тези условия се наблюдава, че контейнерът с гореща вода разтапя леда на фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява по-бързо от резервоара за гореща вода, отколкото от студената. От своя страна контейнерът със студена вода не топи снега под него. Всички тези (както и други) условия са изследвани в много експерименти, но недвусмислен отговор на въпроса - кои от тях осигуряват 100% възпроизвеждане на ефекта Mpemba - не е получен. Така например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва влиянието на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига преохладеното състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне. В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на по-ранни данни, че горещата вода е в състояние да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отделят от нея, а когато се вари, някои разтворени в нея соли се утаяват. Засега може да се твърди само едно - възпроизвеждането на този ефект по същество зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда. О. В. Мосин

Изглежда ясно, че студената вода замръзва по-бързо от горещата вода, тъй като при равни условия горещата вода отнема повече време, за да се охлади и впоследствие да замръзне. Въпреки това, хиляди години наблюдения, както и съвременни експерименти, показват, че е вярно и обратното: при определени условия горещата вода замръзва по-бързо от студената. Научният канал Sciencium обяснява този феномен:

Както е обяснено във видеото по-горе, феноменът, при който горещата вода замръзва по-бързо от студената вода, е известен като ефекта на Мпемба, кръстен на Ерасто Мпемба, ученик от Танзания, който направил сладолед като част от училищен проект през 1963 г. Учениците трябваше да доведат сместа от сметана и захар до кипене, да я оставят да изстине и след това да я сложат във фризера.

Вместо това Ерасто постави сместа си веднага, гореща, без да чака да изстине. В резултат на това след 1,5 часа неговата смес вече беше замразена, но смесите на други ученици не бяха. Заинтригуван от феномена, Мпемба започва да изучава въпроса с професора по физика Денис Осборн и през 1969 г. те публикуват статия, в която се казва, че топлата вода замръзва по-бързо от студената. Това е първото рецензирано изследване от този вид, но самият феномен се споменава в трудовете на Аристотел, датиращи от 4 век пр.н.е. д. Франсис Бейкън и Декарт също отбелязват този феномен в своите изследвания.

Видеото изброява няколко опции за обяснение на случващото се:

1. Сланата е диелектрик и следователно мразовитата студена вода съхранява топлината по-добре от топлата чаша, която топи леда в контакт с нея.
2. Студената вода има повече разтворени газове от топлата вода и изследователите спекулират, че това може да играе роля в скоростта на охлаждане, въпреки че все още не е ясно как.
3. Горещата вода губи повече водни молекули чрез изпаряване, оставяйки по-малко да замръзнат
4. Топлата вода може да се охлади по-бързо поради увеличените конвективни течения. Тези течения възникват, защото водата в чашата първо се охлажда от повърхността и отстрани, което кара студената вода да потъва, а горещата вода да се издига. В топло стъкло конвективните течения са по-активни, което може да повлияе на скоростта на охлаждане.

През 2016 г. обаче беше проведено внимателно контролирано проучване, което показа обратното: топлата вода замръзва много по-бавно от студената. В същото време учените забелязаха, че промяната в местоположението на термодвойка - устройство, което определя температурните разлики - само с един сантиметър води до появата на ефекта Mpemba. Изследването на други подобни произведения показа, че във всички случаи, когато се наблюдава този ефект, има изместване на термодвойката в рамките на сантиметър.

През 1963 г. ученик от Танзания на име Ерасто Мпемба задава глупав въпрос на учителя си - защо топлият сладолед замръзва по-бързо от студения сладолед във фризера му?

Ерасто Мпемба е бил ученик в гимназията Магамбин в Танзания и се е занимавал с готварска практика. Трябваше да направи домашен сладолед - да свари мляко, да разтвори в него захар, да го охлади до стайна температура и след това да го постави в хладилника да замръзне. Явно Мпемба не е бил особено прилежен ученик и е протакал първата част от задачата. От страх, че няма да стигне до края на урока, той сложи още горещо мляко в хладилника. За негова изненада то замръзва дори по-рано от млякото на другарите му, приготвено по зададена технология.

Той се обърна към учителя по физика за разяснение, но той само се изсмя на ученика, като каза следното: „Това не е световна физика, а физиката на Мпемба“. След това Мпемба експериментира не само с мляко, но и с обикновена вода.

Във всеки случай, вече като ученик в гимназия Mkwawa, той попита професор Денис Осборн от университетския колеж в Дар ес Салаам (поканен от директора на училището да изнесе лекция по физика на ученици) за водата: „Ако вземете два еднакви съда с равни обеми вода, така че в единия от тях водата да има температура 35 ° C, а в другия - 100 ° C, и ги поставете във фризера, тогава във втория водата ще замръзне по-бързо. Защо?" Осборн се интересува от този въпрос и скоро през 1969 г., заедно с Мпемба, те публикуват резултатите от експериментите си в списание Physics Education. Оттогава ефектът, който откриха, се нарича ефект на Мпемба.

Любопитни ли сте защо се случва това? Само преди няколко години учените успяха да обяснят този феномен ...

Ефектът Mpemba (Mpemba Paradox) е парадокс, който гласи, че горещата вода при определени условия замръзва по-бързо от студената вода, въпреки че трябва да премине температурата на студената вода в процеса на замръзване. Този парадокс е експериментален факт, който противоречи на обичайните представи, според които при едни и същи условия на по-горещо тяло е необходимо повече време, за да се охлади до определена температура, отколкото на по-хладно тяло, за да се охлади до същата температура.

Това явление е забелязано навремето от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт. Досега никой не знае как точно да обясни този странен ефект. Учените нямат нито една версия, въпреки че има много. Всичко е свързано с разликата в свойствата на топлата и студената вода, но все още не е ясно кои свойства играят роля в този случай: разликата в преохлаждането, изпарението, образуването на лед, конвекцията или ефекта на втечнените газове върху водата при различни температури. Парадоксът на ефекта Мпемба е, че времето, през което тялото се охлажда до температурата на околната среда, трябва да бъде пропорционално на температурната разлика между това тяло и околната среда. Този закон е установен от Нютон и оттогава е потвърден многократно в практиката. При същия ефект водата при 100°C се охлажда до 0°C по-бързо от същото количество вода при 35°C.

Оттогава се изказват различни версии, една от които е следната: част от горещата вода първо просто се изпарява, а след това, когато остане по-малко количество, водата се втвърдява по-бързо. Тази версия, поради своята простота, стана най-популярна, но учените не бяха напълно доволни.

Сега екип от изследователи от Технологичния университет Нанянг в Сингапур, ръководен от химика Си Джан, казва, че е разрешил вековната мистерия защо топлата вода замръзва по-бързо от студената. Както установиха китайски експерти, тайната се крие в количеството енергия, съхранявана във водородните връзки между водните молекули.

Както знаете, водните молекули се състоят от един кислороден атом и два водородни атома, държани заедно чрез ковалентни връзки, което на ниво частица изглежда като обмен на електрони. Друг добре известен факт е, че водородните атоми се привличат към кислородни атоми от съседни молекули – образуват се водородни връзки.

В същото време водните молекули като цяло се отблъскват взаимно. Учени от Сингапур забелязаха, че колкото по-топла е водата, толкова по-голямо е разстоянието между молекулите на течността поради увеличаването на отблъскващите сили. В резултат на това водородните връзки се разтягат и следователно съхраняват повече енергия. Тази енергия се освобождава, когато водата се охлади - молекулите се приближават една към друга. А връщането на енергията, както знаете, означава охлаждане.

Ето какви са хипотезите на учените:

Изпарение

Горещата вода се изпарява по-бързо от съда, като по този начин намалява обема си, а по-малък обем вода със същата температура замръзва по-бързо. Водата, загрята до 100°C, губи 16% от масата си, когато се охлади до 0°C. Ефектът на изпаряване е двоен ефект. Първо, масата на водата, необходима за охлаждане, е намалена. И второ, поради изпарението температурата му намалява.

температурна разлика

Поради факта, че температурната разлика между топлата вода и студения въздух е по-голяма - следователно топлообменът в този случай е по-интензивен и горещата вода се охлажда по-бързо.

хипотермия
Когато водата се охлади под 0°C, тя не винаги замръзва. При определени условия той може да претърпи свръхохлаждане, като същевременно продължава да остава течен при температури под точката на замръзване. В някои случаи водата може да остане течна дори при -20°C. Причината за този ефект е, че за да започнат да се образуват първите ледени кристали, са необходими центрове за образуване на кристали. Ако не са в течна вода, тогава преохлаждането ще продължи, докато температурата спадне достатъчно, за да започнат спонтанно да се образуват кристали. Когато започнат да се образуват в свръхохладената течност, те ще започнат да растат по-бързо, образувайки ледена каша, която ще замръзне и ще образува лед. Горещата вода е най-податлива на хипотермия, тъй като нагряването й елиминира разтворените газове и мехурчета, които от своя страна могат да служат като центрове за образуване на ледени кристали. Защо хипотермията кара горещата вода да замръзва по-бързо? В случай на студена вода, която не е преохладена, на повърхността й се образува тънък слой лед, който действа като изолатор между водата и студения въздух и по този начин предотвратява по-нататъшното изпарение. Скоростта на образуване на ледени кристали в този случай ще бъде по-малка. В случай на преохлаждане на гореща вода, преохладената вода няма защитен повърхностен слой от лед. Поради това той губи топлина много по-бързо през отворения връх. Когато процесът на преохлаждане приключи и водата замръзне, се губи много повече топлина и следователно се образува повече лед. Много изследователи на този ефект смятат хипотермията за основния фактор в случая на ефекта Mpemba.
Конвекция

Студената вода започва да замръзва отгоре, като по този начин влошава процесите на топлинно излъчване и конвекция, а оттам и загубата на топлина, докато горещата вода започва да замръзва отдолу. Този ефект се обяснява с аномалия в плътността на водата. Водата има максимална плътност при 4°C. Ако охладите водата до 4°C и я поставите в среда с по-ниска температура, повърхностният слой вода ще замръзне по-бързо. Тъй като тази вода е по-малко плътна от водата при 4°C, тя ще остане на повърхността, образувайки тънък студен слой. При тези условия на повърхността на водата ще се образува тънък слой лед за кратко време, но този слой лед ще служи като изолатор, защитаващ долните слоеве вода, които ще останат при 4°C. Следователно по-нататъшният процес на охлаждане ще бъде по-бавен. При топлата вода ситуацията е съвсем различна. Повърхностният слой вода ще се охлади по-бързо поради изпарение и по-големи температурни разлики. Освен това слоевете студена вода са по-плътни от слоевете гореща вода, така че слоят студена вода ще потъне надолу, повдигайки слоя топла вода на повърхността. Тази циркулация на водата осигурява бързо понижаване на температурата. Но защо този процес не достига до точката на равновесие? За да се обясни ефектът Mpemba от гледна точка на конвекцията, би трябвало да се приеме, че студените и горещите слоеве вода са разделени и самият процес на конвекция продължава, след като средната температура на водата падне под 4°C. Въпреки това, няма експериментални доказателства в подкрепа на тази хипотеза, че слоевете студена и гореща вода са разделени чрез конвекция.

газове, разтворени във вода

Водата винаги съдържа разтворени в нея газове - кислород и въглероден диоксид. Тези газове имат способността да понижават точката на замръзване на водата. Когато водата се нагрява, тези газове се отделят от водата, тъй като тяхната разтворимост във вода при висока температура е по-ниска. Следователно, когато горещата вода се охлажда, в нея винаги има по-малко разтворени газове, отколкото в незагрята студена вода. Следователно точката на замръзване на нагрятата вода е по-висока и тя замръзва по-бързо. Този фактор понякога се счита за основен при обяснението на ефекта Мпемба, въпреки че няма експериментални данни, потвърждаващи този факт.

Топлопроводимост

Този механизъм може да играе важна роля, когато водата се поставя в хладилник с фризер в малки контейнери. При тези условия се наблюдава, че контейнерът с гореща вода разтапя леда на фризера отдолу, като по този начин подобрява топлинния контакт със стената на фризера и топлопроводимостта. В резултат на това топлината се отстранява по-бързо от резервоара за гореща вода, отколкото от студената. От своя страна контейнерът със студена вода не топи снега под него. Всички тези (както и други) състояния са изследвани в много експерименти, но не е получен еднозначен отговор на въпроса кои от тях осигуряват 100% възпроизвеждане на ефекта Мпемба. Така например през 1995 г. немският физик Давид Ауербах изследва влиянието на преохлаждането на водата върху този ефект. Той откри, че горещата вода, достигайки свръхохладено състояние, замръзва при по-висока температура от студената вода и следователно по-бързо от последната. Но студената вода достига свръхохладено състояние по-бързо от горещата вода, като по този начин компенсира предишното забавяне. В допълнение, резултатите на Auerbach противоречат на по-ранни данни, че горещата вода е в състояние да постигне по-голямо преохлаждане поради по-малко центрове на кристализация. Когато водата се нагрява, разтворените в нея газове се отделят от нея, а когато се вари, някои разтворени в нея соли се утаяват. Засега може да се твърди само едно - възпроизвеждането на този ефект значително зависи от условията, при които се провежда експериментът. Именно защото не винаги се възпроизвежда.

И ето най-вероятната причина.

Както пишат химиците в статията си, която може да бъде намерена на сайта за предпечат на arXiv.org, водородните връзки се разтягат по-силно в гореща вода, отколкото в студена вода. Така се оказва, че повече енергия се съхранява във водородните връзки на горещата вода, което означава, че повече от нея се отделя при охлаждане до минусови температури. Поради тази причина замразяването става по-бързо.

Към днешна дата учените са разрешили тази загадка само теоретично. Когато представят убедителни доказателства за своята версия, тогава въпросът защо топлата вода замръзва по-бързо от студената може да се счита за приключен.

21.11.2017 11.10.2018 Александър Фърцев

« Коя вода замръзва по-бързо студена или гореща?”- опитайте да зададете въпрос на приятелите си, най-вероятно повечето от тях ще отговорят, че студената вода замръзва по-бързо - и ще направят грешка.

Всъщност, ако едновременно поставите два съда с еднаква форма и обем във фризера, единият от които ще съдържа студена вода, а другият гореща, тогава горещата вода ще замръзне по-бързо.

Подобно твърдение може да изглежда абсурдно и неразумно. Логично горещата вода трябва първо да се охлади до студена температура, а студената вода вече трябва да се превърне в лед по това време.

Така че защо горещата вода изпреварва студената по пътя си към замръзване? Нека се опитаме да го разберем.

История на наблюденията и изследванията

Хората са наблюдавали парадоксалния ефект от древни времена, но никой не му е придавал особено значение. Така че несъответствията в скоростта на замръзване на студена и гореща вода са отбелязани в техните бележки от Арестотел, както и от Рене Декарт и Франсис Бейкън. Необичайно явление често се проявява в ежедневието.

Дълго време феноменът не беше изследван по никакъв начин и не предизвика особен интерес сред учените.

Изследването на необичайния ефект започва през 1963 г., когато любознателен студент от Танзания Ерасто Мпемба забелязва, че горещото мляко за сладолед замръзва по-бързо от студеното. Надявайки се да получи обяснение за причините за необичайния ефект, младежът попитал учителя си по физика в училище. Учителят обаче само му се изсмял.

По-късно Мпемба повторил експеримента, но в опита си вече не използвал мляко, а вода и парадоксалният ефект се повторил отново.

Шест години по-късно, през 1969 г., Мпемба задава този въпрос на професора по физика Денис Осборн, който идва в неговото училище. Професорът се интересуваше от наблюдението на младия мъж, в резултат на което беше проведен експеримент, който потвърди наличието на ефекта, но причините за това явление не бяха установени.

Оттогава явлението се нарича Мпемба ефект.

През цялата история на научните наблюдения са изказани много хипотези за причините за това явление.

Така че през 2012 г. Британското кралско дружество по химия ще обяви конкурс на хипотези за обяснение на ефекта Мпемба. В състезанието участваха учени от цял ​​свят, като бяха регистрирани общо 22 000 научни статии. Въпреки толкова внушителния брой статии, нито една от тях не изясни парадокса на Мпемба.

Най-често срещаната беше версията, според която горещата вода замръзва по-бързо, тъй като просто се изпарява по-бързо, обемът й става по-малък и с намаляване на обема скоростта на охлаждане се увеличава. Най-често срещаната версия в крайна сметка беше опровергана, тъй като беше проведен експеримент, при който изпарението беше изключено, но въпреки това ефектът беше потвърден.

Други учени смятат, че причината за ефекта Мпемба е изпарението на газове, разтворени във вода. Според тях по време на процеса на нагряване газовете, разтворени във водата, се изпаряват, поради което тя придобива по-висока плътност от студената вода. Както е известно, увеличаването на плътността води до промяна във физичните свойства на водата (увеличаване на топлопроводимостта), а оттам и до увеличаване на скоростта на охлаждане.

Освен това са представени редица хипотези, които описват скоростта на циркулация на водата като функция на температурата. В много изследвания е направен опит да се установи връзката между материала на контейнерите, в които се намира течността. Много теории изглеждаха много правдоподобни, но не можаха да бъдат научно потвърдени поради липса на първоначални данни, противоречия в други експерименти или поради факта, че идентифицираните фактори просто не бяха сравними със скоростта на охлаждане на водата. Някои учени в своите трудове поставиха под въпрос съществуването на ефекта.

През 2013 г. изследователи от Технологичния университет Нанянг в Сингапур твърдят, че са разрешили мистерията на ефекта Мпемба. Според тяхното изследване причината за феномена се крие във факта, че количеството енергия, съхранявана във водородни връзки между молекулите на студената и горещата вода, се различава значително.

Методите за компютърна симулация показват следните резултати: колкото по-висока е температурата на водата, толкова по-голямо е разстоянието между молекулите поради факта, че силите на отблъскване се увеличават. Следователно водородните връзки на молекулите се разтягат, съхранявайки повече енергия. Когато се охладят, молекулите започват да се приближават една към друга, освобождавайки енергия от водородните връзки. В този случай освобождаването на енергия е придружено от намаляване на температурата.

През октомври 2017 г. испански физици в хода на друго изследване установиха, че именно извеждането на материята от равновесие (силно нагряване преди силно охлаждане) играе голяма роля при формирането на ефекта. Те определиха условията, при които вероятността за ефекта е максимална. Освен това учени от Испания потвърдиха съществуването на обратния ефект на Мпемба. Те установиха, че при нагряване по-студена проба може да достигне висока температура по-бързо от топла.

Въпреки изчерпателната информация и множеството експерименти, учените възнамеряват да продължат да изучават ефекта.

Mpemba ефект в реалния живот

Чудили ли сте се защо през зимата ледената пързалка се пълни с топла вода, а не със студена? Както вече разбрахте, те правят това, защото пързалка, пълна с гореща вода, ще замръзне по-бързо, отколкото ако е пълна със студена вода. По същата причина пързалките в зимните ледени градове се обливат с гореща вода.

По този начин знанието за съществуването на феномена позволява на хората да спестят време при подготовката на обекти за зимни спортове.

В допълнение, ефектът Mpemba понякога се използва в индустрията - за намаляване на времето за замразяване на продукти, вещества и материали, съдържащи вода.