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

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

Екатерина Иосифова

13

01.02.2024

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.

Фото: Spark Tech / Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0

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

Что спросить у «МЕЛА»?
Комментарии(13)
Никита Лымарь
Это ещё одно подтверждение тому, что учитель не может быть на 100% прав, поэтому мотивированные дети могут заниматься самообразованием
Юрий Кохин
Может замерзание в холодной идёт от поверхности к центру, а в теплой от центра к внешней?
Михаил Романов
Причем это легко проверяемый эффект, который можно легко показать наглядно. И тем не менее официальная наука игнорировала его на протяжении всего своего существования.
А теперь представьте что она игнорировала и игнорирует ещё. Вы все ещё верите в нашу науку ;)?
Показать все комментарии