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.

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.

Какой 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.

В 1963 году один из учеников школы в Танзании по имени Эрасто Мпемба заметил, что если взять две емкости с одинаковым количеством молока, в одной из которых молоко будет комнатной температуры, а в другой – горячим, то горячее молоко застынет в морозилке гораздо быстрее, чем холодное. Тогда он провел тот же эксперимент с водой, и получил точно такой же результат. Учитель физики, к которому Мпемба обратился за разъяснениями, лишь посмеялся в ответ.

Но пытливый ум не давал Мпембе покоя, и этот вопрос он задал профессору Деннису Осборну, приглашенному из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе для чтения лекции по физике. Осборну вопрос показался интересным, и в 1969 году он совместно со своим учеником опубликовали статью о результатах своих экспериментов в журнале «Physics Education». С момента публикации этот эффект стали называть эффектом Мпембы.

На самом деле, этот эффект известен с давних времен: Аристотель, Ф.Бэкон, Р.Декарт интересовались им.

Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон сформулировал И.Ньютон, и с того времени он много раз подтверждался на практике. А в данном случае кипящая вода, нагретая до 100 град. С охлаждается до 0 град С быстрее, чем такое же количество воды с температурой, например, 35 град. С, хотя во время охлаждения, кипящая вода должна пройти “порог” в 35 град С.

Вот некоторые из предположений, которые выдвигают ученые:

• Горячая вода во время охлаждения активно испаряется, при этом ее объем уменьшается, соответственно, меньший объем воды охлаждается быстрее. К тому же, из-за испарения, температура воды снижается быстрее.
• Разница температур между горячей водой и воздухом больше, а значит, теплообмен происходит с большей интенсивностью, это приводит к тому, что горячая вода застывает быстрее.
• На поверхности холодной воды образуется слой льда, который не только препятствует испарению воды, но и выступает своеобразной “подушкой”, защищающей основную массу воды от охлаждения. А горячая вода не имеет льда на поверхности, поэтому процесс испарения и охлаждения продолжается дольше, потери тепла происходят быстрее, и в результате горячая вода превращается в лед раньше.
• В горячей воде водородные связи натягиваются сильнее, чем в холодной. Поскольку в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, значит, её высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. Это и объясняет, почему горячая вода застывает быстрее.

Водородные связи O:H-O в кристалле льда

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.

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.