Чому окріп на морозі замерзає швидше. Чому гаряча вода замерзає швидше за холодну? Ефект Мпемби. Питання виникало давно

Ефект Мпемби(Парадокс Мпемби) - парадокс, який свідчить, що гаряча водаза деяких умов замерзає швидше, ніж холодна, хоча вона повинна пройти температуру холодної води в процесі замерзання. Даний парадокс є експериментальним фактом, що суперечить звичайним уявленням, згідно з якими при одних і тих же умовах нагрітішому тілу для охолодження до деякої температури потрібно більше часу, ніж менш нагрітому тілу для охолодження до тієї ж температури.

Цей феномен помічали свого часу Арістотель, Френсіс Бекон і Рене Декарт, проте лише 1963 року танзанійський школяр Ерасто Мпемба встановив, що гаряча суміш морозива замерзає швидше, ніж холодна.

Будучи учнем Магамбінської середньої школиу Танзанії Ерасто Мпемба робив практичну роботуу кухарській справі. Йому потрібно було виготовити саморобне морозиво – закип'ятити молоко, розчинити в ньому цукор, охолодити його до кімнатної температури, а потім поставити в холодильник для замерзання. Очевидно, Мпемба був особливо старанним учнем і зволікав з виконанням першої частини завдання. Побоюючись, що не встигне до кінця уроку, він поставив у холодильник гаряче молоко. На його подив, воно замерзло навіть раніше, ніж молоко його товаришів, приготовлене за заданою технологією.

Після цього Мпемба експериментував не лише з молоком, а й із звичайною водою. У всякому разі, вже будучи учнем Мквавської середньої школи він поставив питання професору Деннісу Осборну з університетського коледжу в Дар-Ес-Саламі (запрошеному директором школи прочитати учням лекцію з фізики) саме з приводу води: "Якщо взяти два однакові контейнери з рівними обсягами води так, що в одному з них вода має температуру 35 ° С, а в іншому - 100 ° С, і поставити їх в морозилку, то в другому вода замерзне швидше. Осборн зацікавився цим питанням і невдовзі 1969 року разом із Мпембой опублікували результати своїх експериментів у журналі " Physics Education " . З того часу виявлений ними ефект називається ефектом Мпемби.

Досі ніхто достеменно не знає, як пояснити цей дивний ефект. Вчені не мають єдиної версії, хоча існує багато. Вся справа в різниці властивостей гарячої та холодної води, але поки не зрозуміло, які саме властивості відіграють роль у цьому випадку: різниця у переохолодженні, випаровуванні, формуванні льоду, конвекції чи дії розріджених газів на воду за різних температур.

Парадоксальність ефекту Мпемби в тому, що час, протягом якого тіло остигає до температури довкілля, має бути пропорційно різниці температур цього тіла та навколишнього середовища. Цей закон було встановлено ще Ньютоном і з того часу багато разів підтверджувався практично. У цьому ж ефект вода з температурою 100°С остигає до температури 0°С швидше, ніж така ж кількість води з температурою 35°С.

Тим не менш, це ще не передбачає парадокс, оскільки ефект Мпемби можна знайти пояснення і в рамках відомої фізики. Ось кілька пояснень ефекту Мпемби:

Випаровування

Гаряча вода швидше випаровується з контейнера, зменшуючи цим свій об'єм, а менший об'єм води з тією ж температурою замерзає швидше. Нагріта до 100°С вода втрачає 16% своєї маси при охолодженні до 0°С.

Ефект випаровування – подвійний ефект. По-перше, зменшується маса води, яка потрібна для охолодження. І по-друге, знижується температура через те, що зменшується теплота випаровування переходу з фази води у фазу пари.

Різниця температур

Через те, що різниця температур між гарячою водоюі холодним повітрям більше - отже теплообмін у разі йде інтенсивніше і гаряча вода швидше охолоджується.

Переохолодження

Коли вода охолоджується нижче 0°С вона не завжди замерзає. За деяких умов вона може перетерпіти переохолодження, продовжуючи залишатися рідкою при температурах нижче температури точки замерзання. У деяких випадках вода може залишатися рідкою навіть за температури –20°С.

Причина цього ефекту в тому, що для того, щоб почали формуватися перші кристали льоду, потрібні центри кристалоутворення. Якщо їх немає в рідкій воді, тоді переохолодження продовжуватиметься доти, доки температура не знизиться настільки, що кристали почнуть формуватися спонтанно. Коли вони почнуть формуватися в переохолодженій рідині, вони почнуть рости швидше, формуючи льодову шугу, яка замерзаючи, утворюватиме лід.

Гаряча вода найбільше схильна до переохолодження оскільки її нагрівання усуває розчинені гази і бульбашки, які у свою чергу, можуть служити центрами утворення кристалів льоду.

Чому ж переохолодження змушує гарячу воду застигати швидше? У випадку холодної води, яка не переохолоджується відбувається наступне. У цьому випадку тонкий шар льоду утворюватиметься на поверхні судини. Цей шар льоду діятиме як ізолятор між водою та холодним повітрям і перешкоджатиме подальшому випаровуванню. Швидкість формування кристалів льоду у разі буде менше. У разі гарячої води, що піддається переохолодженню, переохолоджена вода не має захисного поверхневого шару льоду. Тому вона втрачає тепло набагато швидше через відкритий верх.

Коли процес переохолодження закінчується і вода замерзає, втрачається набагато більше тепла і тому формується більше льоду.

Багато дослідників цього ефекту вважають переохолодження головним чинником у разі ефектом Мпемба.

Конвекція

Холодна вода починає замерзати зверху, погіршуючи тим самим процеси тепловипромінювання та конвекції, а значить і втрату тепла, тоді як гаряча вода починає замерзати знизу.

Пояснюється цей ефект аномалією густини води. Вода має максимальну щільність при 4 °C. Якщо охолодити воду до 4 °C і покласти її при нижчій температурі, поверхневий шар води замерзне швидше. Тому що ця вода менш щільна ніж вода за температури 4 С, вона залишиться на поверхні, формуючи тонкий холодний шар. За цих умов тонкий шар льоду буде формуватися на поверхні води протягом короткого часу, але цей шар льоду служитиме ізолятором, що захищає нижні шари води, які залишатимуться при температурі 4 С. Тому подальший процес охолодження проходитиме повільніше.

У випадку гарячої води ситуація зовсім інша. Поверхневий шар води охолоджуватиметься швидше за рахунок випаровування та більшої різниці температур. Крім того, холодний шари води більш щільні, ніж шари гарячої води, тому шар холодної води опускатиметься вниз, піднімаючи шар теплої води на поверхню. Така циркуляція води забезпечує швидке зниження температури.

Але чому цей процес не досягає точки рівноваги? Для пояснення ефекту Мпемби з цього погляду конвекції слід було б прийняти, що холодні і гарячі шари води розділені і процес конвекції триває після того, як середня температура води опуститься нижче 4 С.

Однак, немає експериментальних даних, які б підтверджували цю гіпотезу, що холодні та гарячі шари води розділені в процесі конвекції.

Розчинені у воді гази

Вода завжди містить розчинені в ній гази - кисень і вуглекислий газ. Ці гази мають здатність зменшувати точку замерзання води. Коли вода нагріта, ці гази виділяються з води, оскільки їх розчинність у воді за високої температури нижче. Тому коли гаряча вода охолоджується, у ній завжди менше розчинених газів, ніж у не нагрітій холодній воді. Тому точка замерзання нагрітої води вища і вона замерзає швидше. Цей фактор іноді розглядається як головний при поясненні ефекту Мпемби, хоча жодних експериментальних даних, що підтверджують цей факт, немає.

Теплопровідність

Цей механізм може відігравати істотну роль, коли вода поміщається в морозильник холодильної камери в невеликих контейнерах. У цих умовах помічено, що контейнер з гарячою водою протує під собою лід морозильної камери, покращуючи тим самим тепловий контакт зі стінкою морозилки та теплопровідність. Внаслідок чого тепло відводиться від контейнера з гарячою водою швидше, ніж від холодного. У свою чергу контейнер із холодною водою не протаює під собою сніг.

Всі ці (і навіть інші) умови вивчалися у багатьох експериментах, але однозначної відповіді питання - які їх забезпечують стовідсоткове відтворення ефекту Мпембы - не було отримано.

Так, наприклад, 1995 року німецький фізик Давид Ауербах вивчав вплив переохолодження води на цей ефект. Він виявив, що гаряча вода, досягаючи переохолодженого стану, замерзає за вищої температури, ніж холодна, отже швидше останньої. Зате холодна вода досягає переохолодженого стану швидше за гарячу, компенсуючи тим самим попереднє відставання.

Крім того, результати Ауербаха суперечили отриманим раніше даними, що гаряча вода здатна досягти більшого переохолодження через меншу кількість центрів кристалізації. При нагріванні води з неї видаляються розчинені в ній гази, а при її кип'ятінні випадають в осад деякі розчинені в ній солі.

Стверджувати поки що можна лише одне - відтворення цього ефекту істотно залежить від умов, у яких проводиться експеримент. Саме тому, що він відтворюється далеко не завжди.

О. В. Мосін

Літературніджерела:

"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.

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

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, в 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, в American Journal of Physics, Vol. 64, No. 5, p 524; May, 1996.

На те, яка вода швидше замерзає, гаряча чи холодна, впливає безліч факторів, але саме питання здається трохи дивним. Зрозуміло, і це відомо з фізики, що гарячій воді ще потрібен час для того, щоб охолонути до температури порівнюваної холодної води, щоб перетворитися на лід. цей етап можна пропустити, а, відповідно, у часі вона виграє.

Але відповідь на питання про те, яка вода замерзає швидше – холодна чи гаряча – на вулиці у мороз, знає будь-який мешканець північних широт. По суті, по-науковому, виходить, що в будь-якому випадку холодна вода просто повинна стати швидше.

Також подумав і вчитель фізики, до якого звернувся школяр Ерасто Мпемба в 1963 році з проханням пояснити, чому холодна суміш майбутнього морозива замерзає довше, ніж аналогічна, але гаряча.

"Це не всесвітня фізика, а якась фізика Мпемби"

Того разу вчитель тільки посміявся з цього, але Деніс Осборн, професор фізики, який свого часу заїхав до тієї ж школи, де навчався Ерасто, експериментально підтвердив наявність такого ефекту, хоч і пояснення тоді не знайшлося. У 1969 році у популярному науковому журналівийшла спільна стаття цих двох людей, котрі описали цей своєрідний ефект.

З тих пір, до речі, питання про те, яка вода швидше замерзає – гаряча чи холодна, має власну назву – ефект, або парадокс, Мпемби.

Питання виникало давно

Природно, що раніше такий феномен мав місце бути, і він був згаданий у роботах інших учених. Не тільки школяр цікавився цим питанням, а й свого часу про це думав Рене Декарт і навіть Арістотель.

Ось тільки підходи до вирішення даного парадоксу почали шукати лише наприкінці ХХ століття.

Умови для того, щоб відбувся парадокс

Як і у випадку з морозивом, не просто звичайна вода замерзає у процесі експерименту. Повинні бути певні умови для того, щоб почати сперечатися, яка вода замерзає швидше - холодна або гаряча. Що впливає перебіг цього процесу?

Зараз, у 21 столітті, висунуто кілька варіантів, які можуть пояснити цей парадокс. Те, яка вода замерзає швидше, гаряча або холодна, може залежати від того, що є більша, ніж у холоду, швидкість випаровування. Таким чином, зменшується її об'єм, а при зменшенні об'єму та час замерзання стає менше, ніж якщо взяти аналогічний початковий об'єм холодної води.

Давно розморожували морозилку

На те, яка вода замерзає швидше, і чому це відбувається, може вплинути снігова підкладка, яка може мати місце в холодильнику, що використовується для експерименту. Якщо взяти два контейнери, ідентичні за обсягом, але в одному з них буде гаряча вода, а в іншому - холодна, контейнер із гарячою водою розплавить під собою сніг, тим самим покращуючи контакт теплового рівня зі стінкою холодильника. Контейнер із холодною водою такого зробити не може. Якщо ж такої підкладки зі снігом в холодильній камері немає, холодна вода повинна стати швидше.

Верх – внизу

Також явище того, яка вода швидше замерзає – гаряча чи холодна, пояснюється так. Дотримуючись певних законів, холодна вода замерзати починає з верхніх шарівКоли гаряча робить це навпаки - починає замерзати знизу вгору. При цьому виходить, що холодна вода, маючи зверху холодний прошарок з льодом, що вже місцями утворився, погіршує собі таким чином процеси конвекції і теплового випромінюванняТим самим пояснюється, яка вода замерзає швидше - холодна чи гаряча. Фото з аматорських експериментів додається, і це чітко видно.

Тепло виходить назовні, прагнучи вгору, а там зустрічається з дуже охолодженим шаром. Вільного шляху для тепловипромінювання немає, тому процес охолодження стає скрутним. Таких перешкод на своєму шляху не має гаряча вода. Яка замерзає швидше – холодна чи гаряча, від чого залежить можливий результат, можна розширити відповідь тим, що будь-яка вода має певні речовини, розчинені у ній.

Домішки у складі води як фактор, що впливає на результат

Якщо не шахраювати і використовувати воду з однаковим складомде концентрації певних речовин є ідентичними, то холодна вода повинна замерзнути швидше. Але якщо ж відбувається ситуація, коли розчинені хімічні елементив наявності тільки в гарячій воді, а холодна вода при цьому ними не має, тоді є можливість гарячої води замерзнути раніше. Пояснюється це тим, що розчинені речовини у воді створюють центри кристалізації, і за малої кількості цих центрів перетворення води у тверде стані утруднене. Можливе навіть переохолодження води, у тому плані, що за мінусової температури вона перебуватиме в рідкому стані.

Але всі ці версії, мабуть, не до кінця влаштовували вчених і вони продовжували працювати над цим питанням. У 2013 році команда дослідників у Сінгапурі заявила, що їм вдалося розгадати вікову загадку.

Група з китайських вчених стверджує, що секрет даного ефекту полягає в кількості енергії, яка запасена між молекулами води в її зв'язках, які називають водневими.

Розгадка від китайських вчених

Далі буде інформація, для розуміння якої необхідно мати деякі знання в хімії, щоб розібратися в тому, яка вода замерзає швидше - гаряча або холодна. Як відомо, складається з двох атомів Н (водню) та одного атома О (кисню), які утримуються між собою ковалентними зв'язками.

Але також атоми водню однієї молекули притягуються і до сусідніх молекул, до їхньої кисневої складової. Саме такі зв'язки називаються водневими.

При цьому варто пам'ятати, що в той же час молекули води діють одна від одної. Вчені відзначили, що при нагріванні води між її молекулами збільшується відстань, і цьому сприяють якраз відштовхувальні сили. Виходить так, що, займаючи одну відстань між молекулами в холодному стані, можна сказати, розтягуються, і у них з'являється більший запас енергії. Саме цей запас енергії вивільняється, коли молекули води починають зближуватися один з одним, тобто відбувається охолодження. Виходить, що більший запас енергії у гарячій воді, і її більше вивільнення при охолодженні до мінусових температур відбувається швидше, ніж у холодній воді, у якої запас такої енергії менший. То яка вода замерзає швидше – холодна чи гаряча? На вулиці та в лабораторії має відбуватися парадокс Мпемби, і гаряча вода має перетворюватися на лід швидше.

Але питання все ще відкрите

Існує лише теоретичне підтвердження цієї розгадки - все це написано красивими формулами і здається правдоподібним. Але коли дані експериментів, яка вода швидше замерзає - гаряча чи холодна, будуть поставлені в практичному сенсі, і їх результати будуть представлені, тоді і можна буде вважати питання парадоксу Мпемби закритим.

Феномен застигання гарячої води з більшою швидкістю, ніж холодною, відомий у науці як ефект Мпемби. Над цим парадоксальним явищем розмірковували такі великі уми як Арістотель, Френсіс Бекон і Рене Декарт, але за тисячоліття нікому ще не вдавалося запропонувати розумне пояснення цього феномену.

Лише у 1963 році школяр з республіки Танганьїка, Ерасто Мпемба, помітив цей ефект на прикладі морозива, але пояснення йому не дав ніхто з дорослих. Тим не менш, фізики та хіміки серйозно задумалися над таким простим, але таким незрозумілим явищем.

З того часу висловлювалися різні версії, одна з яких звучала наступним чином: частина гарячої води спочатку просто випаровується, а потім, коли залишилася менша її кількість, вода застигає швидше. Ця версія, через свою простоту, стала найпопулярнішою, але вчених задовольняла не повністю.

Нині команда дослідників із Технологічного університетуНаньян у Сінгапурі (Nanyang Technological University) на чолі з хіміком Сі Чжаном (Xi Zhang) заявила, що їм вдалося розв'язати вікову загадку про те, чому тепла вода застигає швидше, ніж холодна. Як з'ясували китайські фахівці, секрет криється в кількості енергії, запасеної в водневих зв'язкахміж молекулами води

Як відомо, молекули води складаються з одного атома кисню та двох атомів водню, які утримуються разом ковалентними зв'язками, що на рівні частинок виглядає як обмін електронами. Інший відомий фактполягає в тому, що атоми водню притягуються до атомів кисню із сусідніх молекул - при цьому утворюються водневі зв'язки.

У цей час молекули води загалом відштовхуються друг від друга. Вчені із Сінгапуру помітили: чим тепліша вода, тим більшою виявляється відстань між молекулами рідини через збільшення відштовхувальних сил. У результаті водневі зв'язки розтягуються, отже, запасають велику енергію. Ця енергія вивільняється при охолодженні води – молекули зближуються одна з одною. А віддача енергії, як відомо, означає охолодження.

Як пишуть хіміки у своїй статті, яку можна знайти на сайті препринтів arXiv.org, у гарячій воді водневі зв'язки натягуються сильніше, ніж у холодній. Отже, виявляється, що у водневих зв'язках гарячої води зберігається більше енергії, отже, її вивільняється більше за охолодженні до мінусових температур. З цієї причини застигання відбувається швидше.

На сьогоднішній день вчені розгадали цю загадку лише теоретично. Коли вони представлять переконливі докази своєї версії, то питання про те, чому гаряча вода застигає швидше за холодну, можна буде вважати закритим.

У 1963 році школяр з Танзанії на ім'я Ераст Мпемба поставив своєму вчителю дурне питання - чому в його морозилці тепле морозиво замерзає швидше, ніж холодне?

Будучи учнем Магамбінської середньої школи Танзанії Ерасто Мпемба робив практичну роботу з кухарському справі. Йому потрібно було виготовити саморобне морозиво - закип'ятити молоко, розчинити в ньому цукор, охолодити його до кімнатної температури, а потім поставити в холодильник для замерзання. Очевидно, Мпемба був особливо старанним учнем і зволікав з виконанням першої частини завдання. Побоюючись, що не встигне до кінця уроку, він поставив у холодильник гаряче молоко. На його подив, воно замерзло навіть раніше, ніж молоко його товаришів, приготовлене за заданою технологією.

Він звернувся за роз'ясненнями до вчителя фізики, але той лише посміявся з учня, сказавши наступне: «Це не всесвітня фізика, а фізика Мпемби». Після цього Мпемба експериментував не лише з молоком, а й із звичайною водою.

У всякому разі, вже будучи учнем Мквавської середньої школи, він поставив питання професору Деннісу Осборну з університетського коледжу в Дар-Ес-Саламі (запрошеному директором школи прочитати учням лекцію з фізики) саме з приводу води: «Якщо взяти два однакові контейнери з рівними обсягами води так, що в одному з них вода має температуру 35 ° С, а в іншому - 100 ° С, і поставити їх в морозилку, то в другому вода замерзне швидше. Чому? Осборн зацікавився цим питанням і невдовзі 1969 року разом із Мпембой опублікували результати своїх експериментів у журналі «Physics Education». З того часу виявлений ними ефект називається ефектом Мпемби.

Вам цікаво дізнатися, чому так відбувається? Буквально кілька років тому вченим вдалося пояснити це явище.

Ефект Мпемби (Парадокс Мпемби) – парадокс, який свідчить, що гаряча вода за певних умов замерзає швидше, ніж холодна, хоча вона повинна пройти температуру холодної води у процесі замерзання. Даний парадокс є експериментальним фактом, що суперечить звичайним уявленням, згідно з якими при одних і тих же умовах нагрітішому тілу для охолодження до деякої температури потрібно більше часу, ніж менш нагрітому тілу для охолодження до тієї ж температури.

Цей феномен помічали свого часу Арістотель, Френсіс Бекон і Рене Декарт. Досі ніхто достеменно не знає, як пояснити цей дивний ефект. Вчені не мають єдиної версії, хоча існує багато. Вся справа в різниці властивостей гарячої та холодної води, але поки не зрозуміло, які саме властивості відіграють роль у цьому випадку: різниця у переохолодженні, випаровуванні, формуванні льоду, конвекції чи дії розріджених газів на воду за різних температур. Парадоксальність ефекту Мпемби в тому, що час, протягом якого тіло остигає до температури навколишнього середовища, має бути пропорційно різниці температур цього тіла та навколишнього середовища. Цей закон було встановлено ще Ньютоном і з того часу багато разів підтверджувався практично. У цьому ж ефект вода з температурою 100°С остигає до температури 0°С швидше, ніж така ж кількість води з температурою 35°С.

Нині команда дослідників із Технологічного університету Наньян у Сінгапурі (Nanyang Technological University) на чолі з хіміком Сі Чжаном (Xi Zhang) заявила, що їм вдалося розв'язати вікову загадку про те, чому тепла вода застигає швидше, ніж холодна. Як з'ясували китайські фахівці, секрет у кількості енергії, запасеної у водневих зв'язках між молекулами води.

Як відомо, молекули води складаються з одного атома кисню та двох атомів водню, які утримуються разом ковалентними зв'язками, що на рівні частинок виглядає як обмін електронами. Інший відомий факт у тому, що атоми водню притягуються до атомів кисню із сусідніх молекул - у своїй утворюються водневі зв'язку.

Ось які припущення висуваються вченими:

Випаровування

Гаряча вода швидше випаровується з контейнера, зменшуючи цим свій об'єм, а менший об'єм води з тією ж температурою замерзає швидше. Нагріта до 100°С вода втрачає 16% власної маси при охолодженні до 0°С. Ефект випаровування – подвійний ефект. По-перше, зменшується маса води, яка потрібна для охолодження. І по-друге, через випаровування знижується її температура.

Різниця температур

Через те, що різниця температур між гарячою водою та холодним повітрям більша – отже, теплообмін у цьому випадку йде інтенсивніше і гаряча вода швидше охолоджується.

Переохолодження
Коли вода охолоджується нижче 0°С вона завжди замерзає. За деяких умов вона може перетерпіти переохолодження, продовжуючи залишатися рідкою при температурах нижче температури точки замерзання. У деяких випадках вода може залишатися рідкою навіть за температури –20°С. Причина цього в тому, що для того, щоб почали формуватися перші кристали льоду, потрібні центри кристалоутворення. Якщо їх немає в рідкій воді, тоді переохолодження продовжуватиметься доти, доки температура не знизиться настільки, що кристали почнуть формуватися спонтанно. Коли вони почнуть формуватися в переохолодженій рідині, вони почнуть рости швидше, формуючи льодову шугу, яка замерзаючи, утворюватиме лід. Гаряча вода найбільше схильна до переохолодження оскільки її нагрівання усуває розчинені гази і бульбашки, які у свою чергу, можуть служити центрами утворення кристалів льоду. Чому ж переохолодження змушує гарячу воду застигати швидше? У випадку холодної води, яка не переохолоджується, відбувається наступне: на її поверхні утворюється тонкий шар льоду, який діє як ізолятор між водою і холодним повітрям, і тим самим перешкоджає подальшому випаровуванню. Швидкість формування кристалів льоду у разі буде менше. У разі гарячої води, що піддається переохолодженню, переохолоджена вода не має захисного поверхневого шару льоду. Тому вона втрачає тепло набагато швидше через відкритий верх. Коли процес переохолодження закінчується і вода замерзає, втрачається набагато більше тепла і тому формується більше льоду. Багато дослідників цього ефекту вважають переохолодження головним чинником у разі ефектом Мпемба.
Конвекція

Холодна вода починає замерзати зверху, погіршуючи тим самим процеси тепловипромінювання та конвекції, а значить і втрату тепла, тоді як гаряча вода починає замерзати знизу. Пояснюється цей ефект аномалією густини води. Вода має максимальну густину при 4°С. Якщо охолодити воду до 4°С і помістити в середу з нижчою температурою, поверхневий шар води замерзне швидше. Тому що ця вода менш щільна ніж вода за температури 4°С, вона залишиться на поверхні, формуючи тонкий холодний шар. За цих умов тонкий шар льоду буде формуватися на поверхні води протягом короткого часу, але цей шар льоду служитиме ізолятором, що захищає нижні шари води, які залишатимуться за температури 4°С. Тому подальший процес охолодження проходитиме повільніше. У випадку гарячої води ситуація зовсім інша. Поверхневий шар води охолоджуватиметься швидше за рахунок випаровування та більшої різниці температур. Крім того, холодні шари води більш щільні, ніж шари гарячої води, тому шар холодної води опускатиметься вниз, піднімаючи шар теплої води на поверхню. Така циркуляція води забезпечує швидке зниження температури. Але чому цей процес не досягає точки рівноваги? Для пояснення ефекту Мпемби з погляду конвекції слід було б прийняти, що холодні і гарячі шари води розділені і процес конвекції триває після того, як середня температура води опуститься нижче 4°С. Однак немає експериментальних даних, які б підтверджували цю гіпотезу, що холодні та гарячі шари води розділені в процесі конвекції.

Розчинені у воді гази

Вода завжди містить розчинені у ній гази – кисень та вуглекислий газ. Ці гази мають здатність зменшувати точку замерзання води. Коли вода нагріта, ці гази виділяються з води, оскільки їх розчинність у воді за високої температури нижче. Тому коли гаряча вода охолоджується, у ній завжди менше розчинених газів, ніж у не нагрітій холодній воді. Тому точка замерзання нагрітої води вища, і вона замерзає швидше. Цей фактор іноді розглядається як головний при поясненні ефекту Мпемби, хоча жодних експериментальних даних, що підтверджують цей факт, немає.

Теплопровідність

Цей механізм може відігравати істотну роль, коли вода поміщається в морозильник холодильної камери у невеликих контейнерах. У цих умовах помічено, що контейнер з гарячою водою протує під собою лід морозильної камери, покращуючи тим самим тепловий контакт зі стінкою морозилки та теплопровідність. Внаслідок чого тепло відводиться від контейнера з гарячою водою швидше, ніж від холодного. У свою чергу контейнер із холодною водою не протаює під собою сніг. Всі ці (і навіть інші) умови вивчалися у багатьох експериментах, але однозначної відповіді питання – які їх забезпечують стовідсоткове відтворення ефекту Мпембы – не було отримано. Так, наприклад, 1995 року німецький фізик Давид Ауербах вивчав вплив переохолодження води на цей ефект. Він виявив, що гаряча вода, досягаючи переохолодженого стану, замерзає за вищої температури, ніж холодна, отже швидше останньої. Зате холодна вода досягає переохолодженого стану швидше за гарячу, компенсуючи тим самим попереднє відставання. Крім того, результати Ауербаха суперечили отриманим раніше даними, що гаряча вода здатна досягти більшого переохолодження через меншу кількість центрів кристалізації. При нагріванні води з неї видаляються розчинені в ній гази, а при її кип'ятінні випадають в осад деякі розчинені в ній солі. Стверджувати поки що можна лише одне – відтворення цього ефекту істотно залежить від умов, у яких проводиться експеримент. Саме тому, що він відтворюється далеко не завжди.

А от як кажуть, найімовірніша причина.

Британське Королівське хімічне товариство пропонує нагороду в 1 тисячу фунтів стерлінгів тому, хто зможе пояснити наукової точкиУ деяких випадках гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна.

«Сучасна наука все ще не може відповісти на це просте на перший погляд питання. Виробники морозива та бармени використовують цей ефект у своїй повсякденній роботі, але ніхто насправді не знає, чому це працює. Ця проблема відома вже тисячоліття, такі філософи, як Арістотель та Декарт розмірковували про неї», - сказав президент Британського Королівського хімічного товариства, професор Девід Філіпс, слова якого наводяться в прес-релізі Товариства.

Як кухар з Африки переміг британського професора фізики

Це не першоквітневий жарт, а сувора фізична реальність. Нинішня наука, яка з легкістю оперує галактиками та чорними дірками, що будує гігантські прискорювачі для пошуку кварків та бозонів, не може пояснити, як «працює» елементарна вода. Шкільний підручник однозначно стверджує, що для охолодження більш нагрітого тіла потрібно більше часу, ніж для охолодження холодного тіла. А ось для води цей закон дотримується не завжди. На цей феномен звертав увагу ще Аристотель у 4 столітті до н. е. Ось що писав древній греку книзі «Meteorologica I»: «Той факт, що вода попередньо нагрівається, сприяє її замерзанню. Тому багато людей, коли вони хочуть якнайшвидше охолодити гарячу воду, спочатку ставлять її на сонце...» У середні віки цей феномен намагалися пояснити Френсіс Бекон і Рене Декарт. На жаль, це не вдалося ні великим філософам, ні численним вченим, які розвивали класичну теплофізику, а тому про таке незручний фактнадовго «забули».

І лише 1968 року «згадали» завдяки школяру Ерасто Мпембе з далекої від будь-якої науки Танзанії. Навчаючись у школі кухарського мистецтва, 1963 року 13-річний Мпембе отримав завдання зробити морозиво. За технологією треба було закип'ятити молоко, розчинити в ньому цукор, охолодити його до кімнатної температури, а потім поставити в холодильник для замерзання. Очевидно, Мпемба ні старанним учнем і забарився. Побоюючись, що не встигне до кінця уроку, він поставив у холодильник гаряче молоко. На його подив, воно замерзло навіть раніше, ніж молоко його товаришів, приготовлене за всіма правилами.

Коли Мпемба поділився своїм відкриттям із учителем фізики, той підняв його на сміх перед усім класом. Мпемба запам'ятав образу. Через п'ять років, будучи студентом університету в Дар-ес-Саламі, він опинився на лекції відомого фізика Дениса Г. Осборна. Після лекції він запитав вченого: «Якщо ви візьмете два однакових контейнери з рівною кількістю води, один з температурою 35 °C (95 °F), а інший - 100 °C (212 °F), і помістіть їх в морозильник, то вода у гарячому контейнері замерзне швидше. Чому? Можете собі уявити реакцію британського професора на питання юнака із забутої Богом Танзанії. Він висміяв студента. Однак Мпемба був готовий до такої відповіді і викликав вченого на заклад. Їхня суперечка завершилася експериментальною перевіркою, що підтвердила правоту Мпемби та поразку Осборна. Так учень-поварянок вписав своє ім'я в історію науки, і відтепер цей феномен зветься «ефектом Мпемби». Відкинути його, оголосити як би неіснуючим не виходить. Явище існує, і, як писав поет, «ні в зуб ногою».

Винні порошинки та розчинені речовини?

За минулі роки багато хто намагався розгадати таємницю замерзаючої води. Було запропоновано цілий букет пояснень цього явища: випаровування, конвекція, вплив розчинених речовин - але жоден із цих факторів не можна визнати остаточним. Ряд вчених присвятив ефекту Мпемба все життя. Співробітник кафедри радіаційної безпеки Державного університетуНью-Йорка – Джеймс Браунрідж (James Brownridge) – у вільний часзаймається вивченням парадоксу вже протягом десятиліття. Провівши сотні експериментів, учений стверджує, що має докази "вини" переохолодження. Браунрідж пояснює, що за 0°С вода лише переохолоджується, а замерзати починає, коли температура опускається нижче. Точка замерзання регулюється домішками, що знаходяться у воді - саме вони змінюють швидкість формування кристаликів льоду. Домішки, а це порошинки, бактерії та розчинені солі, мають характерну для них температуру нуклеації, коли навколо центрів кристалізації формуються кристалики льоду. Коли у воді знаходяться відразу декілька елементів, температура замерзання визначається тим із них, який має найвищу температуру нуклеації.

Для досвіду Браунрідж взяв дві проби води однакової температури та помістив їх у морозильну камеру. Він виявив, що один із екземплярів завжди замерзає раніше іншого – імовірно, через різного поєднаннядомішок.

Браунрідж стверджує, що гаряча вода остигає швидше через більшу різницю між температурами води та морозильної камери – це допомагає їй досягти своєї точки замерзання перш, ніж холодна вода досягне своєї природної точки замерзання, яка нижче, принаймні, на 5°С.

Втім, міркування Браунріджа викликають багато запитань. Тому ті, хто зуміє по-своєму пояснити ефект Мпемби, мають шанс поборотися за тисячу фунтів стерлінгів від Британського королівського хімічного товариства.