На протяжении многих лет многие учёные ломали голову над противоречивым наблюдением: горячая вода по какой-то причине замерзает быстрее, чем холодная. Этот феномен объяснил танзанийский студент Мпемба, когда заметил, что его теплая смесь для мороженого замерзает быстрее, чем холодная.
Позже группа физиков под руководством Си Чжана обнаружила, что причина этого эффекта связана с ковалентной связью, присутствующей в воде. Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода, ковалентно связанных с одним атомом кислорода. Эти связи, в которых участвуют атомы, имеющие общие электроны, хорошо изучены. Как показано на рисунке ниже:
Но отдельные молекулы воды также связаны между собой более слабыми силами, создаваемыми водородными связями. Они возникают, когда атом водорода одной молекулы воды находится рядом с атомом кислорода другой — и они обуславливают многие интересные свойства воды, такие как ее необычно высокая температура кипения. Те же самые связи вызывают эффект Мпембы. Идея довольно проста: привести молекулы воды в тесный контакт, и естественное отталкивание между молекулами заставит ковалентные связи растягиваться и сохранять энергию. По мере того как жидкость нагревается, водородные связи растягиваются, вода становится менее плотной, а молекулы расходятся дальше друг от друга. Это дополнительное растяжение водородных связей позволяет ковалентным связям немного расслабиться и сжаться, отдав свою энергию. Процесс отдачи энергии ковалентными связями эквивалентен охлаждению, поэтому теплая вода теоретически должна охлаждаться быстрее, чем холодная. Вот что такое эффект Мпембы!
Но этот эффект действует не во всех условиях. Скажем, например, вы берете две емкости с водой, одинаковой формы и вмещающие одинаковое количество воды. Единственная разница между ними заключается в том, что вода в одном имеет более высокую (равномерную) температуру, чем вода в другом. Теперь мы охлаждаем оба контейнера, используя один и тот же процесс охлаждения для каждого контейнера. При некоторых условиях первоначально более теплая вода замерзнет первой. Если это произойдет, мы увидим эффект Мпембы. Разумеется, изначально более теплая вода не замерзнет раньше первоначально более холодной воды при всех начальных условиях. Если горячая вода начинается с температуры 99,9°C, а холодная вода — с 0,01°C, то очевидно, что при таких обстоятельствах изначально более холодная вода замерзнет первой. Однако при некоторых условиях изначально более теплая вода замерзнет первой: если это произойдет, вы увидите эффект Мпембы. Но вы не увидите эффекта Мпембы ни при каких начальных температурах, формах контейнеров или условиях охлаждения.
Это кажется невозможным, правда? Многие внимательные читатели, возможно, уже придумали общее доказательство того, что эффект Мпембы невозможен. Доказательство обычно выглядит примерно так. Предположим, что изначально более холодная вода начинается с температуры 30°C и замерзает в течение 10 минут, тогда как изначально более теплая вода начинается с температуры 70°C. Теперь изначально более теплой воде придется некоторое время остыть, чтобы опуститься до 30°C, а после этого ей потребуется еще 10 минут, чтобы замерзнуть. Итак, поскольку изначально более теплая вода должна делать все то же, что изначально более холодная вода, плюс еще немного, это займет как минимум немного больше времени, не так ли? Что может быть не так в этом доказательстве?
Ошибка этого доказательства в том, что оно неявно предполагает, что вода характеризуется единственным числом — ее средней температурой. Но если важны и другие факторы, помимо средней температуры, то, когда изначально более теплая вода остынет до средней температуры 30°C, она может выглядеть совсем иначе, чем изначально более холодная вода (с одинаковой температурой 30°C) в начале. . Почему? Причина может заключаться в том, что вода могла измениться при охлаждении с постоянной температуры 70°C до средней температуры 30°C. Он может иметь меньшую массу, меньше растворенного газа или конвекционные потоки, вызывающие неравномерное распределение температуры. Или это могло изменить среду вокруг контейнера в холодильнике. И действительно, эффект Мпембы наблюдался в ряде контролируемых экспериментов. Эффект Мпембы зависит от некоторых факторов, которые объясняются следующим образом:
- Испарение — поскольку первоначально более теплая вода остывает до начальной температуры первоначально более холодной воды, она может потерять значительное количество воды в результате испарения. Уменьшенная масса облегчит воде охлаждение и замерзание. Тогда изначально более теплая вода может замерзнуть раньше первоначально более холодной, но льда будет меньше. Теоретические расчеты показали, что испарением можно объяснить эффект Мпембы, если предположить, что вода теряет тепло исключительно за счет испарения. Это объяснение убедительно, интуитивно понятно, и испарение, несомненно, важно в большинстве ситуаций. Однако это не единственный механизм. Испарение не может объяснить эксперименты, проведенные в закрытых контейнерах, где масса не терялась в результате испарения. И многие ученые утверждают, что одного лишь испарения недостаточно, чтобы объяснить полученные результаты.
- Растворенные газы . Горячая вода может содержать меньше растворенного газа, чем холодная вода, и при кипении выделяется большое количество газа. Таким образом, первоначально более теплая вода может содержать меньше растворенного газа, чем первоначально более холодная вода. Было высказано предположение, что это каким-то образом меняет свойства воды, возможно, облегчая развитие конвекционных потоков (и, таким образом, облегчая ее охлаждение), или уменьшая количество тепла, необходимое для замораживания единицы массы воды, или изменение температуры кипения. Есть некоторые эксперименты, подтверждающие это объяснение, но нет подтверждающих теоретических расчетов.
- Конвекция — по мере охлаждения воды в конечном итоге возникают конвекционные потоки и неравномерное распределение температуры. При большинстве температур плотность уменьшается с повышением температуры, поэтому поверхность воды будет теплее, чем дно: это называется «горячим верхом». Теперь, если вода теряет тепло в основном через поверхность, то вода с «горячим верхом» будет терять тепло быстрее, чем можно было бы ожидать, исходя из ее средней температуры. Когда первоначально более теплая вода остынет до средней температуры, такой же, как начальная температура первоначально более холодной воды, она будет иметь «горячий верх», и, таким образом, скорость ее охлаждения будет выше, чем скорость охлаждения изначально более холодной воды. вода той же средней температуры. Получил все это? Возможно, вам захочется прочитать этот абзац еще раз, обращая внимание на разницу между начальной температурой, средней температурой и температурой. Хотя эксперименты наблюдали «горячую вершину» и связанные с ней конвекционные потоки, неизвестно, может ли конвекция сама по себе объяснить эффект Мпембы.
- Окружающая среда . Последняя разница между охлаждением двух контейнеров связана не с самой водой, а с окружающей средой. Первоначально более теплая вода может сложным образом изменить окружающую среду и, таким образом, повлиять на процесс охлаждения. Например, если контейнер находится на слое инея, который плохо проводит тепло, горячая вода может растопить этот слой инея и, таким образом, в долгосрочной перспективе создать лучшую систему охлаждения. Очевидно, что подобные объяснения не являются очень общими, поскольку большинство экспериментов не проводится с контейнерами, расположенными на слоях инея.
Короче говоря, горячая вода замерзает раньше, чем холодная, в самых разных обстоятельствах. Это не невозможно, и это было замечено в ряде экспериментов. Однако, несмотря на утверждения, часто выдвигаемые тем или иным источником, не существует общепринятого объяснения того, как происходит это явление. Были предложены различные механизмы, но экспериментальные данные неубедительны.
