Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? История открытия, которое случайно совершил школьник из Танзании

Попробуйте провести эксперимент: поставьте в морозильную камеру два стакана — один с горячей, другой с холодной водой. Вопреки законам физики через час в первом стакане уже будет лед, а жидкость во втором только начнет подмерзать. Это явление ученые назвали «эффектом Мпембы» — по имени школьника, который его открыл.

В 1963 году 13-летний школьник Эрасто Мпемба из Танзании решил вместе с другом приготовить мороженое, чтобы продать его во дворе и немного подзаработать. Ребята купили молоко и поставили его на огонь, смешав с сахаром. Друг Эрасто не стал дожидаться кипения и разлил по формам едва теплое молоко, а Эрасто дождался и разлил кипящее. По его собственному признанию, он тогда не знал, что в холодильник не рекомендуется ставить горячие продукты и жидкости.

Когда через несколько часов ребята заглянули в морозилку, они увидели, что формочки Эрасто замерзли, а формочки его друга еще нет. В школе Эрасто спросил у учителя физики, почему сначала замерзло горячее молоко, а потом холодное, на что получил ответ, что этого не могло быть и он явно что-то путает.

После этого Эрасто поговорил с двумя мороженщиками, которые подтвердили его наблюдение: они признались, что иногда ставят смесь в холодильник горячей, если партию нужно приготовить быстрее. От следующих попыток мальчика обсудить этот феномен учитель только отмахивался.

Эрасто не сдавался. Перейдя в среднюю школу, он вновь рассказал о своем наблюдении, но новый учитель тоже ему не поверил. Он рассказал о законе охлаждения Ньютона и объяснил, что горячей жидкости сперва нужно остыть до состояния холодной и только потом она начнет замерзать. Поскольку Эрасто продолжал стоять на своем, учитель сказал: «Видимо, это какая-то физика Мпембы», и с тех пор в классе над Эрастом посмеивались, а любые его ошибки объясняли «физикой Мпембы».

Когда Эрасто уже учился в выпускном классе, в школу приехал профессор Денис Осборн — преподаватель физики из университета Дар-эс-Салама, который рассказывал о поступлении в университет и студенческих проектах. После выступления Осборна Эрасто Мпемба задал ученому вопрос: «Если вы возьмете две одинаковые емкости с равными объемами воды, одну с температурой 35 °С, а другую с температурой 100 °С, и поместите их в холодильник, вода из второй емкости замерзнет первой. Почему?» Осборн удивился, признался, что пока не может дать ответ, и пообещал сам провести этот эксперимент.

Школьный учитель физики и одноклассники, которые присутствовали на встрече, потом обвинили Эрасто в том, что он хотел поставить ученого в неудобное положение своими глупыми вопросами. Тогда юноша предложил всем вместе провести эксперимент, раз ему никто не верит. Только тогда, уже к концу школы, учитель и дети убедились, что Эрасто все это время был прав.

Эффект Мпембы

Вернувшись в университет, профессор Денис Осборн попросил лаборанта сравнить скорость застывания горячей и холодной воды. Тот провел эксперимент и подтвердил, что горячая вода замерзла быстрее, но сказал, что будет повторять эксперимент, пока не получит «правильный результат». Однако каждый раз у него получалось одно и то же.

В итоге в 1969 году Денис Осборн вместе с 19-летним Эрасто Мпембой, который уже учился на первом курсе в колледже управления африканской дикой природой, опубликовал статью в журнале «Физическое образование», в которой рассказывалось об истории открытия феномена и приводились результаты опытов.

Авторы признались, что не смогли объяснить природу этого контринтуитивного термодинамического процесса

Когда физики прочли материал и начали изучать этот вопрос, оказалось, что Эрасто Мпемба вовсе не был первым человеком, который заметил, что горячая вода замерзает быстрее холодной. В 2006 году в Американском журнале физики вышла статья Дженг Монхеа «Эффект Мпембы: когда горячая вода может замерзать быстрее холодной?», в которой приводились цитаты Аристотеля, Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта, которые описывали данный эффект. Но почему-то никто на протяжении столетий не замечал этих наблюдений и не пытался провести собственный эксперимент. Как и школьные учителя Эрасто, ученые предпочитали игнорировать то, что не вписывалось в привычную концепцию.

Дженг Монхеа также проанализировала эксперименты других ученых и рассказала про основные гипотезы, которые они проверяли:

1. Таяние инея

Горячая вода вызывает таяние инея в морозильной камере. Соответственно, под стаканом с горячей водой слой инея на дне камеры тает, улучшая ее теплопроводность. А это в свою очередь ускоряет процесс заморозки.

Это была хорошая версия, но она распалась, когда ученые поместили воду в теплоизолированные контейнеры, но по-прежнему наблюдали в них эффект Мпембы.

2. Испарение

Еще одна гипотеза сводилась к тому, что горячая вода теряет массу из-за испарения, поэтому для ее охлаждения требуется меньше энергии и процесс заморозки проходит быстрее. Но в ходе экспериментов ученые пришли к выводу, что количества массы, которое вода теряет из-за испарения (менее 3%), недостаточно, чтобы объяснить такую разницу в скорости замерзания. А один ученый наблюдал эффект Мпембы даже в закрытом контейнере, что исключило испарение воды из уравнения.

3. Содержание газов

Чем холодная вода отличается от горячей, помимо температуры? В холодной выше содержание растворенного газа. В процессе замерзания азот и кислород постепенно растворяются. Поскольку в горячей воде газа изначально меньше, она быстрее дегазируется, что, по идее, ускоряет процесс замерзания. Но проблема в том, что растворение газа — экзотермическая реакция, которая выделяет тепло. Следовательно, она должна замедлять процесс охлаждения.

4. Переохлаждение

Жидкости замерзают неоднородно. Если мы поставим в морозильную камеру воду, температура которой составляет 70 °C, и подождем, пока она опустится до 30 °C, мы увидим, что на поверхности она будет немного выше 30 °C, а на дне — ниже 30 °C. Это принцип конвекции в жидкостях, который изучают в средней школе.

Поскольку в горячей жидкости конвекция выше, циркуляция холодных и теплых потоков происходит быстрее, ускоряя распространение кристаллов льда. А холодная вода начинает замерзать сверху и тем самым замедляет процессы теплового излучения и конвекции.

Казалось бы, ответ найден. Но интенсивность конвекции во многом зависит от формы и размера контейнера для жидкости и параметров самой морозильной камеры, поэтому ученым ни разу не удалось в точности воспроизвести один и тот же эксперимент, каждый раз они получали разные данные и не смогли прийти к какому-то однозначному выводу.

Современные теории

В 2012 году Королевское химическое общество назначило премию в размере 1000 фунтов за лучшее объяснение эффекта Мпембы. Ассоциация получила 22 000 статей, но ни одна из них не давала окончательного ответа на вопрос. В итоге победителем был объявлен Никола Брегович из Университета Загреба в Хорватии, который собрал и описал все основные теории, существующие на тот момент.

В 2017 году ученые из Китая и США опубликовали гипотезу о том, что виной всему водородные связи. По мере нагревания водородные связи ослабевают и молекулы воды в кластерах меняют положение, занимая такие позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда. Холодной же воде требуется больше энергии на распад водородных связей, соответственно, замерзание происходит медленнее.

Поскольку процесс замерзания воды зависит от большого количества факторов и четко нигде не обозначено, что считать замерзанием, изучать эффект Мпембы очень непросто.

Ряд физиков даже поставили под сомнение само существование эффекта после тщательного экспериментального анализа — в своей статье ученые описали, что каждый раз приходили к настолько разным результатам, что не могут утверждать, что наблюдали какой-то один эффект.

Однако другие ученые наблюдали эффект Мпембы не только в воде, но и в резонаторах из углеродных нанотрубок, спиновых стеклах и гранулированных жидкостях.

Эффект Мпембы — процесс, в ходе которого термодинамическая система выходит из равновесия: горячая вода в холодильнике меняет внешние условия и возникает новая область параметров. Эффект Мпебы не единственный подобный процесс. Существует целый раздел «Неравновесная термодинамика», изучающий термоэлектрические, гальваномагнитные, термомагнитные и другие явления. Последние исследования эффекта Мпембы как раз проводили ученые, специализирующиеся на неравновесных системах.

Эрасто Мпемба ушел из жизни, не узнав ответ на свой вопрос. И хотя эффект носит его имя, Эрасто не стал связывать свою жизнь с физикой. Всю жизнь он проработал главным охотничьим инспектором Министерства природных ресурсов и туризма Танзании.

Фото на обложке: Alexander_IV / Shutterstock / Fotodom