<- НАЗАД

Чому гаряча вода замерзає швидше?

Якщо помістити гарячу воду в холодильник, можна спостерігати ефект її прискореного замерзання. Це явище раніше згадувалося Аристотелем, Френсісом Беконом і Рене Декартом.

Для того, аби перевірити істинність такого явища, ви можете провести вдома елементарний експеримент:

1. Візьміть літр води і дві окремі формочки для льоду.

2. Приблизно половину води вилийте в чайник і закип’ятіть.

3. Заповніть резервуар холодною і нагрітою водою в формочках та поставте їх в морозильну камеру.

4. Зачекайте годину, і ви побачите, яка вода швидше перетворюється в лід.

Парадокс Мпемби

У 1963 році африканський школяр помітив, що гаряча суміш морозива в морозильній камері застигає швидше, ніж холодна. Він не отримав відповіді на це питання від шкільного вчителя фізики, але зміг поставити його професору фізики Денису Осборну. Експеримент, проведений з водою, довів наявність ефекту.

Далі Осборн і Мпемба провели ряд експериментів, результати яких були опубліковані в 1969 році журналі Physics Education.

Пропонуємо вам основні тези:

Оскільки охолодження починається переважно з верхньої поверхні рідини, то швидкість охолодження залежить від температури саме цієї поверхні, а не від середньої температури рідини, а процеси конвекції підтримують цю температуру. За рахунок цього швидкість втрати тепла для системи з більш високою початковою температурою теж буде вище, ніж для самого початку більш охолодженої системи.

Це твердження є спірним, оскільки перед замерзанням вода повинна пройти проміжні температури, але з урахуванням впливу температурного градієнта, автори допускали, що можна упустити це твердження. Після цього явище стало активно обговорюватися дослідниками і знайшло назву “ефект Мпемби”.

На малюнку зображена залежність швидкості замерзання від вихідної температури води.

A picture containing flying, looking, black, kite

Description automatically generated

Пояснення ефекту Мпемби

Відповідь на питання про те, чому гаряча вода швидше замерзає, люди шукали півсторіччя. Було опубліковано сотні наукових робіт з цього приводу, але тільки за 54 роки було отримано остаточну відповідь.

У 2013 році Королівське хімічне товариство Великобританії пообіцяло видати премію в 1000 фунтів тому, хто пояснить ефект Мпемби. Кращою відповіддю було есе Нікола Бреговича з Університету Загреба в Хорватії. Він підсумував основні досліджувані раніше теорії і описав їх.

У 2016 році група вчених опублікувала матеріали досліджень, які заперечували наявність даного феномена. Пояснення самого ефекту ґрунтувалося на похибках досліджень.

Здавалося б науковий світ повинен заспокоїтися, але не тут то було, і в 2017 році спільне дослідження групи вчених з Китаю і США пояснило явище водневими зв’язками в кластерній структурі води.

Основні теорії

Випаровування води

Частина вчених пояснювали, що нагріта вода швидше випаровується і відповідно або замерзає в повітрі і утворює крижану кірку, або просто видаляється з системи. Варто відзначити, що у всіх експериментах, де зважувалася маса води до і після заморозки, максимальна втрата маси сягала не більше 3%. Така несуттєва зміна маси, очевидно, не може викликати значне прискорення заморожування. Ще одна складність даного експерименту була в тому, що довести даний момент практично неможливо, оскільки при герметизації ємності з водою, що заморожується, зміниться не тільки випаровування, а і рух теплових потоків.

Розчинені гази

Розчинність газів у воді падає з підвищенням її температури. Виходячи з цього, частина дослідників допускали, що швидке замерзання води пов’язане з цим фактом. Проведені Томасом дослідження показали, що різниця в температурах замерзання слабо відхиляється від нуля, а Ауербах довів, що концентрація газів у воді не впливає на переохолодження води.

Конверсія, що посилена градієнтом тепла

Давайте розберемося з тим, що таке конвекція і градієнт тепла. Коли ємність з водою поміщається в морозильну камеру, то рідина на поверхні і біля стінок ємності швидше контактує з холодним навколишнім середовищем і охолоджується. В цей же час всередині зразка температура зберігається, внаслідок чого всередині ємності з’являється різниця температур або температурний градієнт. Він викликає перенесення тепла, причому чим сильніше градієнт, тим краще конвекція. Відповідно, чим вище ця різниця температур, тим активніше буде відбуватися теплообмін.

Водневі зв’язки

У 2017 році було отримано остаточну відповідь на питання про те, чому гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна. Причиною є властивості водневих зв’язків. Ключовий аргумент дослідників полягає в тому, що кількість сильних водневих зв’язків збільшується з підвищенням температури, а існування невеликих, міцно пов’язаних кластерів, в свою чергу, сприяє утворенню правильного гексагонального льоду при швидкому охолодженні теплої води. Крім цього, доведений зворотний ефект швидкого нагрівання переохолодженої води.

До речі, дослідження тривають 🙂