Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) - парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.

Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое - вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: "Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом - 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?" Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале "Physics Education". С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы .

До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах.

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 был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.

Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько объяснений эффекта Мпембы:

Испарение

Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100 С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0 С.

Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, снижается температура из-за того, что уменьшается теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара.

Разница температур

Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше - следовательно теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.

Переохлаждение

Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20 С.

Причина этому эффекту в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд.

Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда.

Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается происходит следующее. В этом случае тонкий слой льда будет образовываться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор между водой и холодным воздухом и будет препятствовать дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх.

Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда.

Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.

Конвекция

Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.

Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4 С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее.

В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры.

Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С.

Однако, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.

Растворённые в воде газы

Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.

Теплопроводность

Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.

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.

Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание.

Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли.

Утверждать пока можно только одно - воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.

О. В. Мосин

Литературные источники :

"Hot water freezes faster than cold water. Why does it do so?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.

"The Freezing of Hot and Cold Water", G .S. Kell in American Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, in American Journal of Physics, Vol. 63, No. 10, pp 882-885; Oct, 1995.

"The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water", Charles A. Knight, in American Journal of Physics, Vol. 64, No. 5, p 524; May, 1996.

В современных условиях человеческий организм испытывает водное голодание: по большей части это связано с особенностями искусственной среды, в которой мы живем, обезвоживающим влиянием кондиционированного воздуха и пищи, которую мы едим. Мы привыкли не просто утолять жажду, но извлекать из питья какой-нибудь дополнительный эффект: приятный вкус прохладительных напитков, тонизирующие свойства кофе или чая. Мы разучились просто пить воду.

Питье мое

ПИТЬ ВОДУ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ЧАСТО И ПОНЕМНОГУ, НЕ ДОЖИДАЯСЬ ОЩУЩЕНИЯ СИЛЬНОЙ ЖАЖДЫ

В газированные напитки часто входит кукурузный сироп, содержащий большое количество фруктозы, которая трансформируется прямо в триглицериды (строительный материал для жира), а не в глюкозу, являющуюся топливом для работы мозга. Теперь о молоке: его белок переваривается довольно долго, а для расщепления лактозы (молочного сахара) требуется фермент лактаза, который вырабатывается не у всех людей. Свежевыжатые соки полезнее, но это тоже своего рода суперконцентрированный искусственный напиток – гораздо полезнее было бы съесть фрукт целиком, вместе с содержащейся в нем клетчаткой, балластными веществами. Словом, никакие другие жидкости – даже те, которые мы привыкли считать полезными и натуральными, – не заменят нам обычной питьевой воды.

Одна вода

Уроки химии у многих оставили в памяти лишь формулу воды H2O, а также уверенность, что без воды жизнь вообще не возникла бы на нашей планете. Это так: при ее непосредственном участии идут практически все биохимические реакции. Ведь вода является универсальным растворителем. Строительный материал для постоянного обновления организма (то есть для синтеза белков) и источники энергии (углеводы), кислород, гормоны и ферменты циркулируют в межклеточном пространстве и поступают в клетки, будучи растворенными в воде. А продукты обмена веществ выводятся из клеток и из организма также в растворе.

Вода «входит и выходит» через особые водные каналы, расположенные в плазматической оболочке клеток и называемые «аквапоринами» (за их открытие двум американским ученым – Питеру Агре (Peter Agree) и Родерику Маккинону (Roderic МcKinnon) – была присуждена в 2003 году Нобелевская премия по химии). Если же к молекуле воды присоединяются другие вещества – ведь процесс растворения сопровождается сложными взаимодействиями с солями, сахарами, кислотами, алкоголем, химическими веществами, возникшими в процессе усвоения лекарств или добавок в пище, – то эти громоздкие образования пройти через маленькую водную пору не способны. Вода в организме вроде бы есть (иногда ее даже слишком много, и мы называем это задержкой жидкости, отеками), но в клетки не проникает, в результате чего процессы обмена тормозятся, шлаки не выводятся. Естественно, человек чувствует непонятное недомогание, усталость, причина которых буквально растворена в воде.

Выбрать хороший фильтр

При всем разнообразии фильтров для воды выполняют они одну и ту же задачу: очищают воду от механических загрязнений (песка, окалины, ржавчины), частично от химических (хлора, солей тяжелых металлов, гербицидов, пестицидов, нефтепродуктов), а также от бактерий и вирусов. Принцип действия также похож: вода проходит через сменные кассеты с фильтрующим веществом. В большинстве из них «работает» универсальный адсорбент – активированный уголь и ионообменные смолы, различные у каждого производителя. Чем медленнее вода проходит через фильтр, тем она чище. Для тех, кто хочет быть уверен, что вода будет очищена на 97–99%, существуют фильтры, основанные на системе обратного осмоса. Там очистка происходит при пропускании воды через многослойную мембрану под давлением 3,5–4 атмосферы. Размеры ячеек в мембране столь малы, что через них могут пройти только молекулы Н2О и растворенных в воде водорода и кислорода. Достоинства такой воды в том, что можно быть действительно уверенным в ее чистоте. Недостатки: у нее отсутствует вкус, ее можно считать приближенной к дистиллированной, от которой организму нет никакой пользы.

Из-под крана и из-под бутылки

Водопроводная вода, возможно, не полезна (все-таки она проходит через километры труб), но по крайней мере безопасна – прежде всего благодаря ионам хлора, который используют для ее обеззараживания. Действие хлора губительно для любой живой клетки – от бактерий до клеток нашего организма, поэтому, прежде чем пить водопроводную воду, ее лучше фильтровать. «В принципе, есть два выхода: фильтровать водопроводную воду или покупать бутилированную, но я для себя так и не решил, что будет правильнее, – признается Валерий Сергеев. – С одной стороны, бутилированная вода дорога, при этом не всегда есть уверенность в ее качестве: не подсунули ли нам вместо артезианской воды отфильтрованную воду из-под крана? А с другой стороны, отфильтрованная вода становится несбалансированной, «холостой». В процессе фильтрации она лишается практически всех солей, в том числе нужных, например солей кальция (что может привести к хрупкости костей), а также важнейших микроэлементов».

По мнению терапевта Сергея Стеблецова, даже родниковая вода из предгорий Альп или полученная в результате таяния ледников не всегда приносит гарантированную пользу: пить лучше местную воду, к электролитному составу которой человек адаптировался. Наиболее разумным представляется компромиссный вариант: не бояться фильтрованной воды из-под крана, но вне дома взять себе за правило пить качественную бутилированную воду.

Количество икачество

Когда и как, а главное, сколько воды пить – мнения специалистов на этот счет расходятся. Согласно аюрведе, пить надо от двух до трех литров воды в день, а температура ее должна быть максимально высокой – какую только можно вытерпеть. «Если выпить много воды сразу, то не будет достигнута главная цель – очищение организма, – объясняет Мохаммед Али, врач из аюрведического центра «Керала». – Поэтому пить нужно постоянно, но понемногу: два-три глотка через 10–15 минут». Утро, по его словам, нужно начинать со стакана воды комнатной температуры. Ее, как лекарство, надо принять натощак, не вставая с постели. Причем вода не должна стоять в стакане ночь – в этом случае она становится «мертвой» – и не должна быть водопроводной. По словам Мохаммеда Али, древние учителя аюрведы советовали пить дождевую воду, но сейчас этого делать не стоит в силу понятных причин – она слишком загрязнена. Вероятно, лучше всего с утра пить воду из только что открытой бутылки.

ОЩУЩЕНИЕ КОМФОРТА - ГЛАВНЫЙ ЗНАК, КОТОРЫЙ ДАСТ ПОНЯТЬ, КАКОЕ КОЛИЧЕСТВО ВОДЫ ОРГАНИЗМУ НЕОБХОДИМО

Когда мы пьем в воду в течение дня, согласно аюрведе , стоит принять во внимание: если мы желаем похудеть, лучше пить ее до еды, а если стремимся набрать вес, то после. Соответственно, тем, кто хочет сохранить свои килограммы в неприкосновенности, можно пить воду во время приема пищи.

Представитель другой восточной школы, профессор китайской медицины Гао Янь считает, что лучше всего пить воду комнатной температуры. «Она чуть прохладней, чем температура тела, и запускает процессы очищения организма», – объясняет он. Европейские специалисты тоже считают, что нам необходимо от двух до трех литров воды в день – особенно летом, в жару. «Она должна быть слабоминерализованной, с преобладанием анионов хлора и катионов кальция, магния, калия, – поясняет Валерий Сергеев. – Это восполняет естественные потери солей при усиленном потоотделении». Так что воду типа «Славяновской», «Смирновской», «Кашинской», «Новотерской» можно пить без ограничений. А вот сильноминерализованные воды, такие, как «Ессентуки-17», – это лечебное средство при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, которое стимулирует выделение желудочного сока и моторику кишечника. «Если вы любите газированную минеральную воду, то и на здоровье, – считает Валерий Сергеев. – Она лучше утоляет жажду, стимулирует деятельность желудочно-кишечного тракта. Но если есть какие-то нарушения в деятельности желудка, изжога и дискомфорт, лучше перейти на негазированную воду».

Доверять ощущениям

Итак, пить около двух литров воды в день считается физиологической нормой. Но, если у нас еще не выработалось привычки пить воду, должны ли мы считать выпитые стаканы, словно выполняем предписание врачей? «Организм сам знает, сколько воды ему необходимо, – считает Сергей Стеблецов. – Одному полутора литров в сутки достаточно, другому маловато и двух с половиной. Все зависит от того, в каком режиме работают почки, легкие, кожа и желудочно-кишечный тракт, через которые вода покидает тело. Главный показатель, на который стоит ориентироваться, – это ощущение комфорта».

Почему вода замерзает? Вода – удивительное чудо природы. Она необходима для всего живого на земле. Именно в воде, как утверждают ученые, зародилась жизнь. Удивительно, что вода способна пребывать в трех состояниях: жидком, твердом и газообразном. При этом она может переходить из одного состояния в другое. Подавляющая часть воды на планете имеет состояние жидкости. Твердое состояние воды – лед.

Почему вода замерзает на холоде

На свойство воды переходить в различные состояния влияет ее состав. Молекулы воды слабо связаны между собой; они всегда движутся и группируются, но при этом не могут образовать определенную структуру. Вода принимает форму того сосуда, в который ее помещают, но самостоятельно она не может удерживать какую-то определенную модель. Например, нальем воду в кастрюлю, и жидкость примет ее форму, но вне посуды удержать не сможет.

При нагревании молекулы воды начинают перемещаться по отношению друг к другу еще быстрее и хаотичнее, теряя связь между собой в большей мере. При этом вода становится паром.

При влиянии на воду низких температур движение молекул затормаживается, связь между ними укрепляется, и тогда они могут построить структуру – кристаллы шестигранной формы. Состояние преобразования влаги в лед называется кристаллизацией, затвердеванием.

В таком крепком состоянии может долгое время сохранять различную приобретенную ею форму. Замерзать вода начинает при температуре 0 градусов по Цельсию. Таким образом, переход воды из жидкого состояния в твердое, в лед, обусловлен физическими свойствами воды, ее составом.

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной

Говоря о «превращении» воды в лед, наблюдаются любопытные явления. Горячая замерзает быстрее, чем холодная, как бы маловероятно сия данность не выглядела. Об этом факте было известно давно, но долгое время не удавалось раскрыть тайну загадочного свойства воды. Лишь в двадцатом веке ученые всего мира попытались объяснить причину более быстрого замерзания горячей воды по сравнению с холодной.

В 1963 году мальчик по имени Мпемба из Танзании заметил, когда готовил мороженое, что вкусный деликатес застывает быстрее, если сделан из теплого, а не холодного молока. Над ним начали насмехаться, когда он поделился своими наблюдениями с учителем и друзьями. Лишь один человек – профессор Деннис Осборн, с которым Мпемба познакомился уже взрослым, обратил внимание на этот факт.

Выдвигалось много гипотез по поводу быстрого замерзания горячей воды, нежели холодной, но все они остались предположениями. «Странное» поведение воды называют «Эффект Мпембы». Исследования проводятся до сих пор. Ученые многих стран пытаются доказать «Эффект Мпембы», но пока что безрезультатно.

Многие исследователи считают этот факт, не заслуживающим внимания, так как мороженое имеет другие свойства в отличие от жесткой воды. Физики из Сингапура в 2013 году теоретически доказали загадку эффекта Мпембы, а подтверждений лабораторных исследований непонятного явления не существует до сих пор.

Вода замерзает сверху, а не снизу

Почти всем известно, что на водоемах при низких температурах сначала образуется тонкая ледяная корочка, которая становится толще и крепче при усилении морозов. И если бы не это удивительное свойство воды, то вряд ли, кто-нибудь смог бы покататься на коньках, так как лед просто опускался бы на дно водоема.

Вода, как и большая часть аналогичных веществ, при охлаждении сжимается и уменьшается в объеме, но до температуры не ниже 3 градусов по Цельсию. При более низких температурах вода, наоборот, расширяется, увеличивается ее плотность. Лед легче воды, и это удерживает его сверху.

Почему дистиллированная вода не замерзает

Дистиллированную воду называют чистой, она « освобождена» от всяких примесей, кислорода. Примеси являются теми фрагментами, к которым крепятся молекулы воды. При переходе из жидкого состояния в лед, примеси, присутствующие в воде, сжимаются, Дистиллированная вода из-за отсутствия других веществ расширяется, дистанция между молекулами увеличивается.

Образовавшийся лед будет плавать на поверхности, так как легче воды. И все же дистиллированная вода может замерзать, но температура ее замерзания гораздо ниже, чем обычной воды. При этом было замечено, что стоит ударить, например, по бутылке с дистиллированной водой или встряхнуть, и вода тут же начнет замерзать. Объясняется это сцеплением молекул при ударе.

Температура замерзания минеральной воды

Минеральная вода насыщена солями, химическими веществами, полезными для человека. Температура замерзания минеральной воды ниже, чем у обычной. При ударе по сосуду с водой или встряхивании процесс замерзания ускорится так же, как и в случае с дистиллированной водой. Молекулы воды будут сцепляться друг с другом и структурироваться в кристаллы, соответственно, вода будет замерзать.

Замерзает ли соленая вода

Есть люди, считающие, что не замерзает. Это утверждение не совсем верно. Соленая вода тоже имеет свойство замерзать, но температура ее замерзания значительно ниже нулевой отметки. Объяснение этому заключается в молекулярном составе воды.

Соль, а точнее, ее маленькие кристаллы не позволяют молекулам воды соединиться. Замерзание соленой воды зависит от концентрации соли, содержащейся в ней. Чем больше соли в воде, тем ниже температура замерзания. Почему же антарктические льды и айсберги являются запасами пресной воды? По версии ученых, это фрагменты материка, отколовшиеся миллионы лет тому назад. Их образованию способствовало не то место, где они находятся.

Морская вода тоже замерзает при очень низких температурах. Кристаллы льда, образовавшиеся на поверхности воды, выталкивают кристаллы соли, поэтому, чем глубже, соляной раствор становится насыщеннее. Если взять лед с водной поверхности моря и растопить его, то растаявшая вода будет почти пресной.

Замерзает ли крещенская вода

Крещенскую воду называют «святой». Бытует мнение, что в Крещенскую ночь и в дальнейшие три дня вода во всех водоемах становится «святой», обладающей магическими свойствами исцеления. Она действительно может храниться долгое время, не изменяя своих вкусовых качеств, но замерзает. В этом может убедиться каждый желающий. Поместите на мороз 2 бутылочки, заполненные простой водой, и набранной в Крещенскую ночь. Вода одинаково замерзнет в обеих бутылках.

Замерзает ли вода в колодце

Люди предпочитают пить воду из колодца, считая ее более полезной и пригодной для организма. Замерзает ли вода в колодце зимой? Ответ на этот вопрос очевиден. Если колодец достаточно глубокий, уровень воды не поднимается выше точки промерзания земли, соответственно, что вода в колодце не замерзнет. Если колодец мелкий, то верхний слой воды может покрыться ледяной коркой или значительным пластом льда.

Вода – поразительное вещество, способное переходить из одного состояния в другое, благодаря своему химическому составу. Температура замерзания воды различна. Вода – единственное, вероятно, исключительное вещество, способное расширяться при низких температурах.

Замороженная вода

О значении и пользе воды для жизни известно всем. Оказывается, что оттаявшая после замерзания вода обладает целебными свойствами на организм человека. Она меняет свою структуру после процессов замораживания и оттаивания. Долголетию горцев многие приписывают употребление ими талой воды из источников, протекающих в горах.

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. 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.

«Простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом», — такое определение воды дает Краткая химическая энциклопедия. Но, если разобраться, не так уж проста эта жидкость. Она имеет много необыкновенных, удивительных и совершенно особенных свойств. Об уникальных способностях воды нам рассказал украинский акваисследователь Станислав Супруненко .

Высокая теплоемкость

Вода нагревается в пять раз медленнее песка и в десять раз медленнее железа. Чтобы нагреть на один градус литр воды, тепла потребуется в 3300 раз больше, чем для нагрева литра воздуха. Поглощая огромное количество теплоты, сама субстанция существенно не нагревается. Зато, когда она остывает, отдает столько же тепла, сколько забрала при нагреве. Такая способность накапливать и отдавать тепло позволяет сглаживать резкие температурные колебания на поверхности земли. Но и это еще не все! Теплоемкость воды снижается при повышении температуры от 0 до 370С, то есть в этих рамках нагреть ее легко, понадобится не так много тепла и времени. Но после температурной границы в 370С ее теплоемкость возрастает, а значит, для нагрева придется приложить больше усилий. Установлено: минимальную теплоемкость вода имеет при температуре 36, 790С, а ведь это — нормальная температура человеческого тела! Так что именно это качество воды обеспечивает стабильность температуры человеческого тела.

Высокое поверхностное натяжение воды

Поверхностное натяжение — это сила притяжения, сцепления между молекулами. Зрительно его можно наблюдать в чашке, наполненной чаем . Если медленно доливать в ее воду, она будет выливаться через край не сразу. Присмотритесь: над поверхностью жидкости можно увидеть тончайшую пленку — она и не дает жидкости вылиться. Она набухает по мере доливания и только при «последней капле» это все-таки случится.
Все жидкости имеют поверхностное натяжение, но у всех оно разное. У воды поверхностное натяжение — одно из самых высоких. Больше — только у ртути, вот почему при разливе она сразу превращается в шарики: молекулы вещества крепко «привязаны» друг к другу. А вот у спирта, эфира и уксусной кислоты поверхностное натяжение значительно ниже. Их молекулы меньше притягиваются друг к другу и, соответственно, именно поэтому быстрее испаряются и распространяют свой запах.

Высокая скрытая теплота испарения

Фото Shutterstock

Чтобы выпарить воду, потребуется в пять с половиной раз больше тепла, чем для ее вскипячения. Если бы не это свойство воды — медленно испаряться, — многие озера и реки просто пересыхали бы в жаркое лето.
В глобальных масштабах каждую минуту из гидросферы испаряется миллион тонн воды. В результате в атмосферу поступает колоссальное количество теплоты, эквивалентное работе 40 тысяч электростанций мощностью 1 млрд Квт каждая.

Расширение

При понижении температуры все вещества сжимаются. Все, но только не вода. Пока температура не опустится ниже 40С, вода ведет себя совсем обычно — немного уплотняясь, уменьшает свой объем. Но после 3, 980С она свое поведение, точнее — начинает расширяться, несмотря на понижение температуры! Процесс идет плавно до температуры 00С, пока вода не замерзает. Как только образовывается лед, объем уже твердой воды резко возрастает на 10%.