Эффект Мпембы либо почему жгучая вода леденеет резвее прохладной?
Эффект Мпембы либо почему жгучая вода леденеет резвее прохладной?
Эффект Мпембы (Феномен Мпембы) — феномен, который говорит, что жгучая вода при неких критериях леденеет резвее, чем прохладная, хотя при всем этом она должна пройти температуру прохладной воды в процессе замерзания. Данный феномен является экспериментальным фактом, противоречащим обыденным представлениям, согласно которым при одних и тех же критериях более подогретому телу для остывания до некой температуры требуется больше времени, чем наименее подогретому телу для остывания до той же температуры.
Этот парадокс замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, но только в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что жгучая смесь мороженого леденеет резвее, чем прохладная.
Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему необходимо было сделать самодельное мороженое — вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а потом поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и протормозил с выполнением первой части задания. Боясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно промерзло даже ранее, чем молоко его товарищей, приготовленное по данной технологии.
После чего Мпемба экспериментировал не только лишь с молоком, да и с обыкновенной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос доктору Деннису Осборну из институтского института в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочитать ученикам лекцию по физике) конкретно по поводу воды: «Если взять два схожих контейнера с равными объемами воды так, что в одном из их вода имеет температуру 35°С, а в другом — 100°С, и поставить их в морозилку, то во 2-м вода промерзнет резвее. Почему?» Осборн заинтересовался этим вопросом и скоро в 1969 году они совместно с Мпембой выпустили результаты собственных тестов в журнальчике «Physics Education». С того времени обнаруженный ими эффект именуется эффектом Мпембы.
До сего времени никто точно не знает, как разъяснить этот странноватый эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице параметров жаркой и прохладной воды, но пока не понятно, какие конкретно характеристики играют роль в данном случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции либо воздействии разжиженных газов на воду при различных температурах.
Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с того времени много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С резвее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.
Все же, это еще не подразумевает феномен, так как эффекту Мпембы можно отыскать разъяснение и в рамках известной физики. Вот несколько разъяснений эффекта Мпембы:
Испарение
Жгучая вода резвее испаряется из контейнера, понижая тем собственный объём, а наименьший объем воды с той же температурой леденеет резвее. Подогретая до 100 С вода теряет 16% собственной массы при охлаждении до 0 С.
Эффект испарения – двойной эффект. Во-1-х, миниатюризируется масса воды, которая нужна для остывания. И во-2-х, понижается температура из-за того, что миниатюризируется теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара.
Разница температур
Из-за того, что разница температур меж жаркой водой и прохладным воздухом больше — как следует термообмен в данном случае идет лучше и жгучая вода резвее охлаждается.
Переохлаждение
Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда леденеет. При неких критериях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться водянистой при температурах ниже температуры точки замерзания. В неких случаях вода может оставаться водянистой даже при температуре –20 С.
Причина этому эффекту в том, что для того, чтоб начали формироваться 1-ые кристаллы льда необходимы центры кристаллообразования. Если их нет в водянистой воде, тогда переохлаждение будет длиться до того времени, пока температура не понизится так, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой воды, они начнут расти резвее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет создавать лёд.
Жгучая вода больше всего подвержена переохлаждению так как её нагревание избавляет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда.
Почему же переохлаждение принуждает жаркую воду застывать резвее? В случае с прохладной водой, которая не переохлаждается происходит последующее. В данном случае узкий слой льда будет создаваться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор меж водой и прохладным воздухом и будет препятствовать предстоящему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в данном случае будет меньше. В случае с жаркой водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Потому она теряет тепло намного резвее через открытый верх.
Когда процесс переохлаждения завершается и вода леденеет, пропадает намного больше тепла и потому формируется больше льда.
Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение основным фактором в случае с эффектом Мпемба.
Конвекция
Прохладная вода начинает леденеть сверху, ухудшая тем процессы теплоизлучения и конвекции, а означает и убыли тепла, тогда как жгучая вода начинает леденеть снизу.
Разъясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет наивысшую плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды промерзнет резвее. Так как эта вода наименее уплотненная чем вода при температуре 4 С, она остается на поверхности, формируя узкий прохладный слой. При этих критериях узкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение недлинного времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Потому предстоящий процесс остывания будет проходить медлительнее.
В случае с жаркой водой ситуация совсем другая. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более резвее за счёт испарения и большей различия температур. Не считая того, прохладный слои воды более плотные, чем слои жаркой воды, потому слой прохладной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает резвое падение температуры.
Но почему этот процесс не добивается точки равновесия? Для разъяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что прохладные и жаркие слои воды разбиты и сам процесс конвекции длится после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С.
Но, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту догадку, что прохладные и жаркие слои воды разбиты в процессе конвекции.
Растворённые в воде газы
Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, так как их растворимость в воде при высочайшей температуре ниже. Потому когда жгучая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой прохладной воде. Потому точка замерзания нагретой воды выше и она леденеет резвее. Этот фактор время от времени рассматривается как главный при разъяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих данный факт нет.
Теплопроводимость
Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в маленьких контейнерах. В этих критериях увидено, что контейнер с жаркой водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем термический контакт со стеной морозилки и теплопроводимость. В итоге чего, тепло отводится от контейнера с жаркой водой резвее, чем от прохладного. В свою очередь контейнер с прохладной водой не протаивает под собой снег.
Все эти (также другие) условия изучались в почти всех опытах, но конкретного ответа на вопрос — какие из их обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы — так и не было получено.
Так, к примеру, в 1995 году германский физик Давид Ауэрбах изучал воздействие переохлаждения воды на этот эффект. Он нашел, что жгучая вода, достигая переохлажденного состояния, леденеет при более высочайшей температуре, чем прохладная, а означает резвее последней. Зато прохладная вода добивается переохлажденного состояния резвее жаркой, компенсируя тем предшествующее отставание.
Не считая того, результаты Ауэрбаха противоречили приобретенным ранее данным, что жгучая вода способна достигнуть большего переохлаждения из-за наименьшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некие растворенные в ней соли.
Утверждать пока можно только одно — воспроизводство этого эффекта значительно находится в зависимости от критерий, в каких проводится опыт. Конкретно поэтому, что воспроизводится он далековато не всегда.
О. В. Мосин
Литературные источники:
«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.
«The Freezing of Hot and Cold Water», G.S. Kell in American Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.
«Supercooling and the Mpemba effect», David Auerbach, in 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, in American Journal of Physics, Vol. 64, No. 5, p 524; May, 1996.
«The Final Word», New Scientist, 2nd December 1995.