Многие люди считают, что открытие какого-либо научного явления является результатом долгих и тщательных экспериментов, исследований, проводимых учёными. Но это не всегда так. Случается, что какое-либо явление сперва устанавливают и только потом начинают искать объяснение. Порой даже бывает, что эффект открывают простые люди, при этом совершенно случайно для себя, а учёные, узнавая об этом, долго не могут найти объяснение. Примером такого случая может служить эффект Мпембы, открытый обычным танзанийским школьником, выполнявшим практическую работу по кулинарному делу. Он обнаружил, что горячее молоко застыло в холодильнике быстрее холодного. В дальнейшем он провёл ряд опытов, в том числе и с водой, подтвердивших данный феномен. Спустя некоторое время он обратился за разъяснениями к профессору Деннису Осборну, приглашённому читать лекцию по физике. Осборн заинтересовался этим эффектом, и вскоре вместе с Мпембой выпустил статью в журнале «Physics Education» с результатами своих исследований. С тех пор этот эффект стали называть эффектом Мпембы.
И в самом деле, почему же горячая вода замерзает быстрее холодной, ведь это противоречит первому закону термодинамики? Как говорится, сколько людей, столько и мнений. Вот и разные учёные объясняют этот эффект по-разному.
Объяснение 1: Разница температур воды и окружающей среды
Так как разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше, чем разница между тем же воздухом и холодной водой, теплообмен с горячей водой идёт интенсивнее, следовательно, она быстрее охлаждается.
Объяснение 2: Испарение
Горячая вода испаряется быстрее холодной, из чего следуют сразу две вещи: во-первых, испаряясь, вода уменьшает свой объём, а чем меньше объём, тем быстрее он замерзает/нагревается. А во-вторых, испарение способствует более скорой отдаче тепла, то есть температура понижается быстрее.
Объяснение 3: Растворённые в воде газы
В воде содержатся растворённые газы — кислород и углекислый газ. Эти газы уменьшают точку замерзания воды. При нагревании, газы выделяются из воды, поскольку их растворимость с повышением температуры воды падает. Поэтому в охлаждаемой горячей воде меньше растворённых газов, чем в холодной. Из-за этого точка замерзания горячей воды будет выше, то есть она замёрзнет быстрее.
Объяснение 4: Переохлаждение
Охлаждаясь до 0°, вода не всегда замерзает. Иногда она может оставаться в жидком состоянии при температурах гораздо ниже точки замерзания (в некоторых случаях даже при -20°C). Причина в том, что для образования первых кристаллов льда нужны центры кристаллообразования. Если же в воде их нет, она будет оставаться жидкой до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут образовываться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они станут расти быстрее, образовывая лёд. Переохлаждению больше всего подвержена горячая вода, поскольку в процессе нагревания из неё выходят растворённые газы и пузырьки, служащие центрами кристаллообразования. Холодная вода подвержена переохлаждению в значительно меньшей степени, поэтому при её замерзании на поверхности начинает образовываться слой льда, препятствующий дальнейшему испарению. В этом случае скорость формирования кристаллов льда будет меньше. В случае же с горячей водой, переохлаждённая, она не будет иметь слоя льда на поверхности, продолжая терять тепло, испаряясь через открытый верх. А когда процесс переохлаждения заканчивается, и вода начинает замерзать, теряется больше тепла, вследствие чего формируется больше льда.
Объяснение 5: Теплопроводность
Это объяснение имеет место быть, когда вода помещается в морозильную камеру в контейнерах. Контейнер с горячей водой протаивает под собой наледь, тем самым улучшая контакт со стенкой морозилки, а значит и теплопроводность. Поэтому тепло от него отводится быстрее, чем от контейнера с холодной водой, который наледь под собой не протаивает.
Объяснение 6: Конвекция
Холодная вода начинает замерзать сверху, что ухудшает процессы конвекции и теплоизлучения. Горячая же вода начинает замерзать снизу, что объясняется аномалией плотности воды. Максимальную плотность вода имеет при температуре 4°C. Если охладить её до этой температуры и поместить в морозилку, где температура ниже, поверхность воды замёрзнет быстрее. Так как замёрзшая вода будет иметь меньшую плотность, чем вода при 4°C, она останется на поверхности, формируя слой льда, который будет служить изолятором между водой и воздухом, замедляя дальнейший процесс охлаждения. В случае с горячей водой, поверхностный слой охладится быстрее, по причине испарения и большей разности температур. Но слои холодной воды будут иметь большую плотность по сравнению с горячей водой, поэтому они станут опускаться, поднимая тёплые слои на поверхность. Такая циркуляция воды будет обеспечивать более быструю потерю тепла, а значит и более быстрое замерзание.
Объяснение 7: Водородные связи
Это объяснение было выдвинуто учёными-химиками из Сингапура. Атомы водорода в молекулах воды притягиваются к атомам кислорода из соседних молекул, образуя при этом водородные связи. В то же время, молекулы воды отталкиваются друг от друга. И чем теплее вода, тем сильнее отталкивающие силы. В результате этого водородные связи растягиваются и запасают большее количество энергии. В процессе охлаждения молекулы сближаются, и энергия высвобождается. Получается, что горячая вода отдаёт больше энергии, чем холодная, а значит и быстрее замерзает.
На сегодняшний день это все существующие объяснения эффекта Мпембы. Но какое у него может быть практическое применение? Так, катки заливают именно горячей водой, чтобы она быстрее превратилась в лёд. Так же поступают и при создании зимой ледяных горок для детей. К тому же, автомобилисты заливают зимой в бачок стеклоомывателя холодную воду как раз потому, что исходя из эффекта Мпембы она замёрзнет медленнее горячей. Кроме того, существует ещё и обратный эффект Мпембы, который гласит, что холодная вода закипает быстрее горячей. Поэтому, чтобы чайник быстрее закипел, разумнее будет налить в него холодную воду.
Литература:
- Перышкин А. В. Физика 8 класс.
- https://masterok.livejournal.com/4160759.html
- https://www.nature.com/articles/srep37665
- https://nsportal.ru/shkola/fizika/library/2016/05/30/nauchno-prakticheskaya-konferentsiya-zagadochnyy-effekt-mpemby
