Почему горячая вода замерзает быстрее холодной?

Попробуйте задать подобный вопрос своим знакомым. Скорее всего большинство из них ответят, что быстрее замерзает холодная вода — и допустят ошибку.

На самом деле, если одновременно поставить в морозильную камеру два одинаковых по форме и объёму сосуда, в одном из которых будет холодная вода, а в другом горячая, то быстрее замёрзнет именно горячая вода.

Подобное утверждение может показаться абсурдным и неразумным. Если следовать логике, то горячая вода должна сначала остыть до температуры холодной, а холодная в это время должна уже превратиться в лёд.

Так почему же горячая вода обгоняет холодную на пути к замерзанию? Попробуем ответить на этот вопрос.

Парадоксальный эффект люди наблюдали ещё с давних времён, но никто не придавал ему особого значения. Так нестыковки по скорости замерзания холодной и горячей воды отмечал в своих записях Аристотель, а также Рене Декарт и Френсис Бэкон. Необычное явление часто проявлялось в быту.

Если на сильном морозе (−20 °C и ниже) выплеснуть в воздух кружку горячей воды, то она эффектно превратится в снег на лету.

Долгое время явление никак не изучалось и не вызывало особого интереса среди учёных.

Начало изучения необычного эффекта было положено в 1963 году когда старшеклассник Эрасто Мпемба из Танзании случайно обнаружил эффект, позднее названный в его честь. Рассказываем, как он к этому пришел. Школьники учились готовить мороженое (нам бы такие уроки!). Эрасто переживал, что ему не хватит места в морозильнике, поэтому поставил свою заготовку еще горячей. Одноклассники же наоборот дали смесям остыть и только после этого отправили их в морозилку. В итоге мороженое из теплого молока получилось быстрее, чем из охлажденного. В надежде получить объяснение причин возникновения необычного эффекта, молодой человек задал вопрос своему учителю физики в школе, но тот только посмеялся над ним, сказав: “Это не всемирная физика, а физика Мпембы”.

Позднее Мпемба повторил эксперимент, однако в своём опыте он использовал уже не молоко, а воду и парадоксальный эффект вновь повторился.

Мпемба не бросил попыток выяснить, в чем дело, и позднее, в 1969 году, обратился за помощью к физику Денису Осборну. Вместе они провели первые систематические научные исследования феномена – эффекта Мпембы. Им удалось воспроизвести результат, хотя опытный Осборн отметил, что для полного понимания происходящего нужно провести более сложные эксперименты. За прошедшие десятилетия многие ученые и лаборатории пытались раскрыть загадку эффекта Мпембы, но получали неоднозначные результаты.

Казалось бы, эффект легко проверить. Берем чашки с горячей и холодной водой, ставим их в морозилку и засекаем время. Однако объяснить этот феномен не удавалось никому.

Даже современные водопроводчики утверждают, что зимой трубы с горячей водой лопаются чаще, чем трубы с холодной.

За всю историю научных наблюдений было выдвинуто множество гипотез о причинах возникновения феномена.

Так в 2012 году британским Королевским химическим обществом бы объявлен конкурс гипотез, объясняющих эффект Мпембы. В конкурсе участвовали учёные со всего Мира, всего было зарегистрировано 22 000  научных работ. Не смотря на столь внушительное количество статей, ни одна из них не внесла ясности в парадокс Мпембы.

Наиболее распространённой была версия согласно которой, горячая вода замерзает быстрее, так как она просто быстрее испаряется, её объём становится меньше, и по мере уменьшения объёма, скорость её остывания увеличивается. Самая распространённая версия в итоге была опровергнута, так как был проведён эксперимент, в котором было исключено испарение, а эффект тем не менее подтверждался.

Другие учёные считали, что причина эффекта Мпембы заключается в испарении растворённых в воде газов. По их мнению, в процессе нагревания испаряются растворённые в воде газы, за счёт чего она обретает более высокую плотность чем холодная. Как известно, повышение плотности приводит к изменению физических свойств воды (увеличению теплопроводности), а следовательно и увеличению скорости охлаждения.

Помимо этого, был выдвинут ряд гипотез, описывающих скорость циркуляции воды, в зависимости от температуры. Во многих исследованиях была предпринята попытка установить взаимосвязь между материалом контейнеров в которых располагалась жидкость. Очень многие теории казались весьма правдоподобными, однако научно подтвердить их не удавалось из-за недостатка исходных данных противоречиях в других экспериментах, или же из-за того, что выявленные факторы были просто не сопоставимы со скоростью охлаждения воды. Некоторые учёные в своих работах ставили под сомнение существование эффекта.

В 2013 году, исследователи из Технологического университета Наньян в Сингапуре заявили, что разгадали загадку эффекта Мпембы. Согласно проведённому ими исследованию, причина феномена кроется в том, что количество энергии, запасённой в водородных связях между молекулами холодной и горячей воды существенно отличается.

Методы компьютерного моделирования показали следующие результаты: чем выше температура воды, тем большим оказывается расстояние между молекулами из-за того, что отталкивающие силы увеличиваются. А следовательно водородные связи молекул растягиваются, запасая большее количество энергии. При охлаждении молекулы начинают сближаться друг с другом, высвобождая энергию из водородных связей. При этом отдача энергии сопровождается понижением температуры.

В 2016 году специалисты по динамике жидкостей инженер Генри Барридж, профессор Имперского колледжа Лондона, и математик Пол Линден из Кембриджского университета провели максимально контролируемое исследование эффекта Мпембы.

Они не нашли никаких свидетельств его существования, но не это главное. Самое существенное их открытие заключалось в том, что если буквально на сантиметр сместить положение термометра в емкости, не меняя никаких других условий, то небольшой эффект Мпембы появляется. Последующая проверка предыдущих исследований показала, что и там наблюдаемый эффект был в пределах погрешности.

В октябре 2017 года Испанские физики в ходе очередного исследования выяснили, что большую роль в формировании эффекта играет именно выведение вещества из равновесия (сильный нагрев перед сильным охлаждением). Они определили условия при которых вероятность проявления эффекта максимальна. Помимо этого, ученые из Испании подтвердили существование обратного эффекта Мпембы. Они выявили, что при нагревании более холодный образец может достичь высокой температуры быстрее, чем теплый.

Над данным вопросом немало потрудились и физики технологического университета в Сингапуре во главе с Си Чзаном. Ученые связали это явление со строением самой молекулы воды. С курса химии известно, что атом кислорода связан с двумя атомами водорода ковалентной полярной связью. В результате нагревания прочность ковалентной связи нарушается, и отдельные молекулы воды в жидкости связываются менее прочной водородной связью. Прочность ее примерно в 18 раз ниже, чем у ковалентной связи. По мнению сингапурских ученых, дело именно в этом. Вот поэтому горячая вода быстрее охлаждается. Эту гипотезу научные сотрудники во главе с Си Чзаном подтверждают математическими расчетами.

Не смотря на исчерпывающие сведения и многочисленные эксперименты, учёные намерены продолжать изучение эффекта.

А вы когда-нибудь задумывались почему в зимнее время каток заливают горячей водой, а не холодной? Как вы уже поняли, делают это потому, что каток залитый горячей водой замёрзнет быстрее, чем если бы его заливали холодной. По той же причине горячей водой заливают горки в зимних ледовых городках.

Таким образом, знание о существовании феномена позволяет людям сэкономить время при подготовке площадок для зимних видов спорта.

Помимо этого, эффект Мпембы иногда используется и в промышленности — для сокращения времени заморозки продуктов, веществ и материалов, содержащих воду.

Да, исследования продолжаются. Ученые ищут и изучают эффект Мпембы в различных веществах и условиях.

Подведем итог. Чисто физически у воды нет эффекта Мпембы, но в реальной жизни из-за твердых и газообразных примесей, материала, из которого сделаны емкости, особенностей морозильной камеры и многих других факторов горячая вода действительно может замерзать быстрее холодной

---

Нашли ошибку в тексте? Выделите текст, содержащий ошибку и нажмите комбинацию клавиш Ctrl+Enter. Мы увидим и исправим ошибку. Спасибо за внимание.

---