Парадокс Мпембы: суть и как это работает

Еще из физики нам известно, что менее нагретое тело охлаждается быстрее, чем более нагретое.

Парадокс в том, что в процессе замерзания горячей жидкости при остывании определенное время уходит уже только на то, чтобы достигнуть температуры холодной жидкости.

История открытия парадокса Мпембы

Описанный выше эффект был подмечен еще древнегреческим философом Аристотелем, а позже — французским естествоиспытателем Рене Декартом и основоположником английского материализма Фрэнсисом Бэконом. Но в те времена этому феномену не придавали особого значения.

И лишь благодаря настойчивости школьника из Танзании Эрасто Мпембы, который совершенно случайно в 1963 году столкнулся с подобным эффектом, на него обратили внимание и назвали в есть любопытного юноши.

А случилось это открытие совершенно неожиданно. Школьнику, изучающему поварское дело, дали задание приготовить мороженое. Учителя дали четкий алгоритм:

• довести молоко до кипения;
• добавить сахар в горячее молоко;
• дать раствору остыть до температуры помещения;
• поместить в морозильную камеру до полного замерзания.

Эрасто, по-видимому, был медлительным по своему характеру. Он слишком поздно приступил к выполнению практического задания. Когда его ровесники уже остудили приготовленное сладкое молоко и начали помещать его в морозильную камеру, раствор Мпембы был еще горячим. Испугавшись, что он не успеет справиться с заданием, Эрасто поставил замораживаться еще не успевшую остыть жидкость. Каково же было его удивление, когда выяснилось, что его горячее молоко замерзло быстрее, чем холодный раствор, который его соученики готовили по алгоритму.

Мпемба если и был медлителен или не слишком прилежен, то это компенсировалось его любознательностью. Несмотря на то что учитель физики Магамбинской школы не поверил ученику и только посмеялся над ним, Эрасто продолжил свои эксперименты самостоятельно, но теперь уже с водой.

Впоследствии он перешел в Мквавскую среднюю школу, директор которой был настроен прогрессивно и пригласил знаменитого профессора Денниса Осборна выступить перед учениками с лекцией по физике. Набравшись храбрости, Мпемба задал профессору вопрос о том, почему в морозительной камере в двух одинаковых контейнерах с водой быстрее остывает до 0 °C тот что с кипятком, чем тот, где вода была предварительно остужена почти до комнатной температуры.

Профессор не отмахнулся от вопроса обычного ученика средней школы, а начал его исследовать. И вот в 1969 году он предложил Мпембе (как автору идеи) опубликовать совместную статью о результатах их экспериментов. В этом же году статья вышла в британском журнале «Физическое образование». С этого момента феномен стали называть "парадокс Мпембы".

До сих пор ученые спорят о том, в чем истинная причина феномена. Единственное, в чем они сошлись — разные свойства холодной и горячей воды:

• действие на воду разжиженных газов;
• процесс образования льда;
• теплообменные процессы;
• процесс испарения;
• отличия в подверженности переохлаждению.

Как можно объяснить эффект Мпембы в рамках обычной физики

Источник: wikimedia.org

В 2012 году состоялся конкурс гипотез по объяснению парадокса Мпембы: почему при соблюдении определенных условий вода высокой температуры остывает быстрее, чем прохладная. Этот процесс проиллюстрирован на графике выше.

Приведем самые популярные объяснения, которые так и не смогли окончательно убедить ученых.

Благодаря процессу испарения

Данное объяснение в свое время было признано наиболее популярным. Здесь автор предположил, что горячая вода в процессе охлаждения испаряется в большем объеме, чем холодная. А жидкость с меньшим объемом замерзнет быстрее: при охлаждении жидкости от 100 °C до 0 °C она теряет в объеме 16 %.

А еще сам процесс испарения забирает часть тепловой энергии жидкости при переходе ее в фазу пара, поэтому температура жидкости снижается.

Спорность гипотезы в том, что она не объясняет эффект Мпембы для закрытых резервуаров, где испарение исключено.

Из-за разницы температур между водой и окружающей средой

Процесс охлаждения горячей воды протекает гораздо интенсивнее, чем в случае с холодной жидкостью, так как чем сильнее контраст между температурой воды и окружающей среды, тем быстрее идет теплообмен.

Из-за большей подверженности горячей воды переохлаждению

Переохлаждение — это жидкое состояние воды, достигшей минусовой температуры (вплоть до -20 °C). Происходит оно из-за отсутствия первичных центров кристаллообразования. Это состояние больше свойственно для воды, которая начала подвергаться замораживанию в горячем состоянии, поскольку в процессе нагревания из нее удалялись пузырьки газа. Эти пузырьки и служат центром образования кристаллов.

В результате происходит следующее:

1. В случае с холодной водой: при достижении нулевой отметки температуры на ее поверхности начнет образовываться тонкий слой льда, мешающий испарению воды и ее дальнейшему охлаждению. Из-за этого скорость образования кристаллов замедляется.
2. В слуае с горячей водой: при достижении определенной минусовой температуры начинается спонтанное образование кристаллов льда — но уже не на поверхности жидкости, а внутри нее. Все это время жидкость охлаждается через поверхность благодаря отсутствию ледяной корки. Интенсивный процесс охлаждения жидкости будет продолжаться и дальше по мере образования льда (шуги). При этом скорость образования кристаллов льда нарастает из-за повышенного теплообмена, и он окончательно сформируется быстрее, чем в соседнем сосуде с холодной водой.

Из-за отличий в теплообменных процессах

В горячей воде процесс замерзания начинается с нижнего слоя, а в холодной — с верхнего. Поэтому в холодной воде из-за образования верхнего слоя льда ухудшается процесс теплообмена. Лед начинает образовываться уже при охлаждении верхнего слоя ниже 4 °C. Дело в том, что плотность такой воды меньше, чем более глубоких слоев, все еще поддерживающих температуру 4 °C (именно при этой температуре плотность считается максимальной). Что происходит дальше, было описано выше: лед мешает интенсивному испарению через поверхность и замедляет процесс замерзания.

А в горячей воде быстро охлажденные верхние слои (за счет испарения и большой разницы температур с окружающей средой) будут опускаться вниз, меняясь местами с более теплыми слоями. Такой процесс конвекции позволяет воде быстро остывать и продолжается даже при достижении средней температуры ниже 4 °C.

Правда, эта гипотеза допустима только в случае, если слои воды не перемешиваются между собой, достигая одной общей равновесной температуры. К сожалению, никакими экспериментальными данными такое разделение воды на слои пока не подтверждено.

За счет действия растворенных в воде газов

Выше мы уже упоминали, что в процессе нагревания из воды улетучиваются растворенные в ней газы. Считается, что присутствие в воде углекислого газа и кислорода снижает порог температуры замерзания. При нагревании же воды газы начинают выделяться, потому что при высокой температуре им сложнее находиться в растворенном виде, чем при более низкой. Поэтому такая вода (очищенна от газов) замерзает при более высокой температуре. Вот почему процесс замерзания начнется раньше и проходит быстрее.

За счет лучшей теплопроводности между стенкой морозильной камеры и контейнером с горячей водой

Некоторые ученые предположили, что эксперимент заканчивался успешно, когда в морозильную камеру ставили воду в небольших контейнерах. В этом случае лед на дне или стенке морозильной камеры таял под воздействием тепла, тем самым обеспечивая лучшую теплопроводность между ними и контейнером. То есть тепло от контейнера с горячей водой отводилось быстрее, в то время как под контейнером с холодной водой из-за наличия ледяной шубы тепло отводилось медленнее.

Влияние всех вышеописанных условий по отдельности и в комплексе долго обсуждалось. Но ученые так и не получили однозначного ответа, какие наверняка дают нужный результат. Что ни у кого не вызывает сомнения, так это тот факт, что эффект Мпембы удается воспроизвести далеко не всегда и не при любых условиях. Но какие именно условия нужны? Остается только верить, что когда-то ответ будет найден.

Современное объяснение парадокса Мпембы

Возможно, ученым из США и Китая удалось найти ответ на данный вопрос.

Статья авторов новой гипотезы была опубликована в американском «Журнале химической теории и вычислений» («J. Chem. Theory & Comput»).

Источник: kastatic.org

Ученые провели исследование, как ведут себя при разных температурах молекулы H₂O, которые на короткое время объединены в кластеры с помощью неустойчивых водородных связей. Водородные связи в таких временно созданных кластерах являются более слабыми, чем привычные ковалентные. Но сила их взаимодействия тоже может различаться в зависимости от того, как молекулы H₂O расположены в пространстве относительно друг друга.

На картинке сплошной линией показаны устойчивые ковалентные связи в молекулах воды, а пунктирной — возникающие на некоторое время водородные связи.

В процессе нагревания водородные связи легко разрушаются, и молекулы H₂O внутри кластеров начинают располагаться иным образом. При этом занятые ими новые позиции дают молекулам возможность гораздо быстрее перестроиться в кристаллическую структуру льда.

В случае с холодной водой водородные связи являются более крепкими, они разрываются дольше, так как этот процесс требует определенных энергетических затрат. Поэтому переход к кристаллической структуре льда протекает медленнее, и замерзание холодной воды длится дольше, чем горячей.

Практическое применение эффекта Мпембы

1. Учитывая, что холодная вода замерзает медленнее, опытные водители автотранспорта предпочитают наливать холодную воду в систему стеклоомывателя.
2. Растениеводы используют данный эффект для защиты посадок от морозов. Чтобы на поверхности растений быстро образовалась защитная оболочка в виде ледяного панциря, их орошают горячей водой.
3. Вы когда-нибудь задумывались, почему при строительстве ледяной горки для зимних детских забав ее поливают не холодной, а горячей водой? Правильно: так на ней быстрее образуется лед.

Источник: novochag.ru

Оставайтесь с нами и узнавайте еще больше полезной и интересной информации. А специалисты Феникс.Хелп помогут справитьс с любыми уебными заданими, пока вы занимаетесь самообразованием.