Многими исследователями выдвигались и выдвигаются свои версии относительно того, почему горячая вода замерзает быстрее холодной. Казалось бы, парадокс – ведь для того, чтобы замёрзнуть, горячей воде для начала нужно остыть. Однако факт остаётся фактом, и учёные объясняют его по-разному.
Основные версии
На данный момент существуют несколько версий, которые объясняют данный факт:
- Поскольку испарение в горячей воде происходит быстрее, её объем уменьшается. А замерзание меньшого количества воды той же температуры происходит быстрее.
- Морозильная камера холодильника имеет снеговую прокладку. Контейнер, в котором содержится горячая вода, растапливает снег под собой. При этом улучшается тепловой контакт с морозилкой.
- Замерзание холодной воды, в отличие от горячей, начинается сверху. При этом конвекция и теплоизлучение, а, следовательно, тепловая убыль ухудшаются.
- В холодной воде имеются центры кристаллизации – растворенные в ней вещества. При небольшом их содержании в воде заледенение затруднено, хотя в то же время возможно её переохлаждение – когда при минусовой температуре она имеет жидкое состояние.
Хотя справедливости ради можно сказать, что данный эффект наблюдается не всегда. Очень часто замерзание холодной воды происходит быстрее, чем горячей.
При какой температуре вода замерзает
Почему вообще происходит замерзание воды? В её составе содержится определённое количество минеральных либо органических частиц. Это, например, могут быть очень мелкие частицы песка, пыли или глины. При снижении температуры воздуха эти частицы являются центрами, вокруг которых образовываются ледяные кристаллы.
Роль ядер кристаллизации могут также выполнять пузырьки воздуха и трещины в ёмкости, где содержится вода. На скорость процесса превращения воды в лёд во многом влияет количество таких центров – если их много, жидкость замерзает быстрее. При обычных условиях, с нормальным атмосферным давлением, вода переходит в твердое состояние из жидкого при температуре 0 градусов.
Суть эффекта Мпембы
Под эффектом Мпембы понимают парадокс, суть которого в том, что при определённых обстоятельствах горячая вода замерзает быстрее холодной. Этот феномен был замечен ещё Аристотелем и Декартом. Тем не менее только в 1963 году школьник из Танзании Эрасто Мпемба определил, что горячее мороженое замерзает за более короткое время, чем холодное. Такой вывод он сделал, выполняя задание по поварскому делу.
Он должен был растворить в закипевшем молоке сахар и, охладив его, поместить для замерзания в холодильник. Судя по всему, Мпемба особым усердием не отличался и первую часть задания начал выполнять с опозданием. Поэтому он не стал дожидаться остывания молока, и определил его в холодильник горячим. Он очень сильно удивился, когда оно замерзло ещё быстрее, чем у его одноклассников, которые выполняли работу в соответствии с заданной технологией.
Этот факт очень заинтересовал юношу, и он начал эксперименты с простой водой. В 1969 году журнал Physics Education опубликовал результаты исследований Мпембы и профессора Денниса Осборна из университета в Дар-Эс-Саламе. Описанному ими эффекту дали имя Мпембы. Однако и сегодня феномену нет чёткого объяснения. Все учёные сходятся во мнении, что основная роль принадлежит в этом отличиям свойств охлаждённой и горячей воды, однако каким именно – неизвестно.
Сингапурская версия
Физиков одного из сингапурских университетов также заинтересовал вопрос, какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная? Команда исследователей под руководством Си Чзана объяснила этот парадокс именно свойствами воды. Всем ещё со школьной скамьи известен состав воды – атом кислорода и два водородных атома. Кислород в некоторой мере оттягивает от водорода электроны, поэтому молекула являет собой определенного рода «магнит».
В итоге определённые молекулы в воде немного притягиваются между собой и объединяются связью водорода. Её прочность во много раз ниже ковалентной связи. Сингапурские исследователи считают, что объяснение парадокса Мпембы как раз в водородных связях. Если молекулы воды размещены между собой очень плотно, то такое сильное взаимодействие между молекулами способно деформировать ковалентную связь в середине самой молекулы.
А вот при нагревании воды связанные молекулы слегка удаляются друг от друга. В результате в середине молекул происходит релаксация ковалентных связей с отдачей лишней энергии и переходом на низший энергетический уровень. Это приводит к тому, что горячая вода начинает ускоренно охлаждаться. По крайней мере, так показывают теоретические расчеты, которые провели сингапурские учёные.
Моментальная заморозка воды – 5 невероятных трюков: Видео
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.
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.
Большинство из нас знают о воде только то, что без нее «ни туды и ни сюды». А ведь она скрывает много загадочного, и многие ее свойства не изучены до сих пор. Посмотрим, что уже удалось узнать ученым.
Сколько состояний у воды?
Из школьной программы мы знаем, что вода – жидкое вещество, которое в зависимости от температуры может быть твердым и газообразным. На самом деле у нее не три состояния, а намного больше: пять — когда это жидкость, 14 – при минусовых температурах. А если вода перенасыщена метаном, она даже может загореться.
Может ли закончиться на планете вода?
Всякая ли вода замерзает при температуре ниже нуля?
Не всякая. Очень чистой воде, избавленной от примесей, температуры чуть ниже нуля будет недостаточно – она по-прежнему останется жидкой. Но и для нее есть свой порог замерзания: просто он ниже, чем у обычной воды.
В какой стране самая чистая вода?
Хотелось бы, конечно, вспомнить наши водные богатства, и в первую очередь – озеро Байкал . Но, увы, одно озеро погоды не сделает, а за чистой водой лучше ехать к нашим соседям – в Финляндию. Именно эта страна, по данным исследования ЮНЕСКО, заняла первое место среди 122 государств мира. Кстати, по этому же исследованию седьмая часть жителей нашей планеты пьет воду, использовать которую опасно для здоровья…
Какая вода быстрее превратится в лед – холодная или горячая?
Как ни странно, вторая, хотя перед тем как замерзнуть, ей нужно полностью остынуть. Это свойство воды причисляется к удивительным фактам: почему так происходит, ученые до сих пор не объяснили. Возможно, за доказательство этого феномена когда-нибудь будут давать Нобелевскую премию, как за нашумевшую теорему Пуанкаре…
А что будет, если «переохладить» воду?
С тем, что при температуре немногим ниже нуля становится льдом, при экстремальных минусовых температурах начинаются удивительные метаморфозы. Заморозив воду до -120°, ученые с удивлением обнаружили, что она стала вязкой. Еще каких-то 15° ниже нуля – и получилось что-то похожее на стекло.
Вода убивает
Именно «водным» способом распространяются самые опасные для человека болезни. Сегодня подобным образом передается до 2/3 инфекций. По статистике, каждый год умирают около 25 млн. жителей планеты, испивших зараженной воды.
Но без нее нет жизни!
Все живое на нашей планете содержит воду и погибнет, если ее лишится. Животные – это вода на 75%, картофель – на 76%, а арбуз состоит из нее на 96%. В теле человека около 70% воды, но в зависимости от возраста этот показатель меняется. В теле новорожденного ее более 85%, в теле старика – около 50%. Получается, при старении мы теряем воду. А за свою жизнь успеваем выпить около 35 тонн воды!
Вода-диетолог
«Сидеть на хлебе и воде» — значит голодать, но не от хорошей жизни. А ведь люди с избыточным весом действительно могут «сесть на одну воду», исключив из рациона другие напитки, и значительно сбросить вес. По мнению диетологов, это один из самых эффективных способов похудения.
Эта история началась более полувека назад, но не получила развязки и по сей день. А всё потому, что, как бы ни старались тысячи пытливых умов со всей планеты, им никак не удаётся найти единственно верное решение Мпембы.
В 1963 году неприметный африканский ученик по имени Эрасто Мпемба (Erasto Mpemba) подметил одну странность: тёплая смесь для мороженого застывает быстрее, чем охлаждённая.
Наблюдение казалось настолько неправдоподобным, что учителю физики оставалось лишь посмеяться над открытием незадачливого экспериментатора. Однако Эрасто был уверен в своей правоте и не побоялся снова стать посмешищем: чуть позже он поднял скользкий вопрос перед Денисом Осборном (Denis Osborne), профессором Университета Дар-эс-Салам, Танзания. Учёный не стал бросаться поспешными выводами и решил изучить проблему. После чего в 1969 году журнал Physics Education опубликовал материал, описывающий парадокс Мпембы.
В научных кругах тут же припомнили, что нечто похожее уже говорили величайшие умы былых времён. Например, ещё упоминал о жителях древнегреческого Понта, которые во время зимней рыбалки нагревали воду и мочили в ней тростник, чтобы тот быстрее затвердевал. Многие столетия спустя Фрэнсис Бэкон писал: «Слегка прохладная вода замерзает гораздо легче, чем совершенно холодная».
В общем, вопрос стар как мир, но это лишь подогревает интерес к разгадке. На протяжении нескольких последних десятилетий выдвигалось немало теорий, объясняющих эффект Мпембы. Наиболее вероятные из них были озвучены в 2013 году на торжественном мероприятии, проведённом Королевским химическим обществом Великобритании. Профессиональная ассоциация изучила 22 000 (!) мнений и выделила среди них лишь одно, принадлежащее Николе Бреговичу (Nikola Bregović).
Хорватский химик указал на важность процессов конвекции и переохлаждения жидкости при её замерзании.
Вот как эти явления описаны в «Википедии»:
- Холодная вода начинает замерзать сверху, замедляя тем самым процессы теплового излучения и конвекции, а значит, и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.
- Переохлаждённая жидкость - жидкость, имеющая температуру ниже температуры кристаллизации при данном давлении. Переохлаждённая жидкость получается из обычной путём охлаждения при отсутствии центров кристаллизации.
Всемирное и чек на 1 000 фунтов стали хорошим вознаграждением. К слову, победителя приветствовали Эрасто Мпемба и Денис Осборн.
scienceblogs.comКакой должна быть температура воды перед заморозкой
На этот вопрос однозначного ответа всё же нет. Королевское химическое общество хоть и определилось, но не прекратило споры окончательно. До сих пор выдвигаются новые гипотезы и звучат опровержения.
Хотя есть небольшая зацепка: научно-популярный журнал New Scientist провёл исследования и пришёл к выводу, что наилучшие условия для повторения эффекта Мпембы - две ёмкости воды с температурой 35 и 5 °C.
Таким образом, если до вечеринки осталось совсем немного времени, залейте в воду, температура которой сравнима с комнатной температурой жарким летом. Колодезную или прохладную водопроводную воду лучше не использовать.
