Мы все знаем, что вода является самым удивительным и распространенным на нашей планете Земля вещество. Все живые организмы состоят из воды. Без воды не представляется жизнь. Все растения и животные на 60–75 % состоят из воды. По своим свойствам вода отличается от всех других жидкостей. До сих пор некоторые свойства воды широко используются человеком, но не имеют точных научных объяснений.
Зима 2021 года выдалась особенно морозной, поэтому мы решили провести эксперимент с водой, изучить вопросы теплового обмена, которые являются важными в жизни человека. Температура является показателем интенсивности тепловых процессов. Интерес об эффекте Мпембы у нас появился от того, что по интернету ходят слухи о том, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Так о чём же идёт речь — об ошибке эксперимента или о новом, интересном свойстве воды, которое до сих пор не было изучено?
Этот феномен упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танганьикский школьник Эрасто Мпемба заинтересовался причинами того, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная. Эрасто обратился к учителю физики и попросил его объяснить данное явление, но тот лишь посмеялся над учеником.
Мы решили более подробно рассмотреть данный феномен и реализовать его на практике.
Еще в конце XVII века английский физик И. Ньютон обнаружил простую закономерность: мощность теплообмена между двумя телами тем больше, чем сильнее отличаются их температуры. Другими словами, чем больше разница температур тел, участвующих в теплообмене, тем с большей скоростью он протекает (то есть в единицу времени передается больше теплоты). Отметим, что разница температур здесь идёт между водой и окружающей средой, т. к. система у нас незамкнутая и теплообмен протекает между жидкостями и окружающей средой. [2] Что происходит в Опыте? На занятия по внеурочной деятельности «Юный эколог» мы рассматривали закон распространения теплоты, по Ньютону.
Очевидно, что горячая вода будет больше отдавать тепло, чем холодная. У горячей воды больше скорость движения молекул и в процессе охлаждения, молекулы по инерции будут стремиться сохранить импульс торможения, который приобрели при помещении горячей воды в морозильную камеру, а, значит, и остывание будет проходить быстрее. Эффекту Мпембы можно найти объяснение в рамках известной физики. Вот несколько вариантов такого объяснения:
– Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее. [1]
– Наличие снеговой шубы в морозилке холодильника. Контейнер с горячей водой протаивает под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки. Контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег. При отсутствии снеговой шубы контейнер с холодной водой должен замерзать быстрее.
Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос — какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы — так и не было получено.
Основные стадии эксперимента
Рис. 1. Контроль температуры воды перед экспериментом
Рис. 2. Контроль объема воды перед экспериментом
Рис. 3. Температура в морозильной камере
Рис. 4. Создание одинаковых условий
Рис. 5. Изменение условий эксперимента
Рис. 6. Результат через 30 минут
Рис. 7. Результат через 30 минут, вид сверху
Рис. 8. Результат через 1час 10 минут, вид сверху
Рис. 9. Результат через 1 час 10 минут, вид сбоку
Рис. 10. Контроль объема оставшейся воды после замерзания
Мы можем сделать вывод: эффект Мпембы подтвердился.
Помимо эксперимента, который проводился дома, мы решили провести его и на улице. Когда температура воздуха опустилась ниже -25 градусов цельсия, мы взяли крутой кипяток в термосе и отправились на улицу. Результат превзошел все ожидания. Мы резко разбрызгивали горячую воду над головой. Вода сразу превращалась в мелкие льдинки и разлеталась. Наглядно было видно, что вода с горячей температурой остывала мгновенно, создавая красивый веер. Это было очень зрелищно и интересно.
Рис. 11
Объяснение полученных результатов
Почему горячая вода замерзла быстрее? Точного ответа ученые дать не могут, есть много объяснений, рассмотрим некоторые из них:
- Горячая вода быстрее испаряется, уменьшая свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Действительно, вода при проведении опыта испарилась, но этот объем меньше того, что остался после удаления льда и измерения оставшейся воды. [1]
- В физике есть такое явление, при котором теплые нижние слои жидкости поднимаются, а верхние — остывшие, опускаются. Получается, что жидкость как будто сама перемешивается и остывает. В разогретой воде этот процесс происходит быстрее, кристаллики льда с поверхности будут опускаться быстрее и охлаждать теплую воду на дне.
- Когда вода охлаждается ниже 0°С, она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может переохлаждаться, продолжая оставаться жидкой. Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению, она не имеет защитного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх. И когда вода замерзает, теряется намного больше тепла, и поэтому формируется больше льда.
Эффект Мпембы действительно существует, но он не противоречит законам Ньютона в том, что время, в течении которого тело остывает до определённой температуры должно быть пропорционально разности температур этого тела и охлаждающей среды. Исследуя факт существования эффекта Мпембы, мы пришли к выводу о банальной ошибке в понимании исходных данных эксперимента: в эффекте Мпемба упор делается на разницу температур двух исследуемых жидкостей, а в законе Ньютона речь идёт о разнице температур между исследуемой жидкостью и окружающей средой. При изменении качества воды (кипячёная на некипячёная) наблюдается тот же результат. А вот объяснений причины, почему горячая вода охлаждается быстрее холодной, на сегодняшний день, у учёных пока нет. [4,5]
Наша версия: инерция. Изначально энергичные молекулы горячей воды получили больший тормозящий эффект, т. к. была больше разница температур, чем у холодной воды и он сохранился по инерции на отрезке времени, когда горячая вода остыла до температуры холодной воды. По этой причине остывание происходит быстрее у горячей воды.
У данного эффекта есть и практическое применение. Так, катки и ледяные горки для детей заливают горячей водой, чтобы она быстрее превратилась в лёд.
Литература:
- Эффект Мпембы http://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect
- Филипп Болл «Глядя на замёрзшую воду» http://wsyachina.narod.ru/physics/mpemba.html
- Тайны воды http://www.sunhome.ru/journal/113518
- Журнал «Химия и жизнь» 1993, № 9, с. 79
- Журнал «Химия и жизнь» 1994, № 11, с. 62
- Время жить. Волшебная сила воды: Сборник. СПб.: Лейла, 1998. — 672с.
- Куруськина, М. Загадки и тайны: Энциклопедия. Серия: Хочу знать. Ростов на Дону: Издательский дом «Проф-Пресс», 2015. — 96с.
