Что такое эффект мпембы и что думают об этом учёные

Справка РИА «Воронеж»

Согласно книге «Старый Воронеж» Павла Попова и Бориса Фирсова, первое упоминание о коньках в Воронеже относится к 1810-м годам. Горожане катались на льду реки, на катках в садах Общественного и Семейного собраний, а самый популярный каток заливался яхт-клубом в Городском саду. Пары скользили по льду под музыку духового оркестра, проводились соревнования по фигурному катанию и бегу. Иногда на каток выходило до 3 тыс. человек. Сезонный билет для взрослых стоил пять рублей, для учащихся – три. В 18:00 раздавался звонок, воспитатели отыскивали гимназистов и отправляли по домам. На катке оставались только взрослые, для которых по вечерам зажигались электрические фонари.

Многие мальчишки мчались в школу прямо на коньках по скользким улицам. В основном это были простые деревянные бруски, подбитые железом, но продавались и фабричные коньки, которые крепились к кожаной обуви с помощью винтов.

В начале ХХ века многие воронежцы всерьез занимались конькобежным спортом под руководством единственного тогда тренера-любителя Валериана Степанцова. Только у него в Воронеже был секундомер.

Страница мемуаров Митрофана Азарова и Валериана Лебедева «Эхо побед и рекордов»

Конькобежец Митрофан Азаров, который активно занимался спортом до 1910 года, в своих воспоминаниях описал зимнюю 400-метровую беговую дорожку. Она имела форму усеченного треугольника, стороны которого были разной длины, а также небольшие спуски и подъемы

Спортсменам приходилось учитывать, что набранную на одной дорожке скорость они потеряют на другой при подъеме, а неосторожного конькобежца могло при резком повороте вынести в сугроб

История наблюдений и исследований

Парадоксальный эффект люди наблюдали ещё с давних времён, но никто не придавал ему особого значения. Так не состыковки по скорости замерзания холодной и горячей воды отмечал в своих записях Арестотель, а также Рене Декарт и Френсис Бэкон. Необычное явление часто проявлялось в быту.

Долгое время явление никак не изучалось и не вызывало особого интереса среди учёных.

Начало изучения необычного эффекта было положено в 1963 году когда любознательный школьник из Танзании — Эрасто Мпемба, заметил, что горячее молоко для мороженного замерзает быстрее чем холодное. В надежде получить объяснение причин возникновения необычного эффекта, молодой человек задал вопрос своему учителю физики в школе. Однако учитель лишь посмеялся над ним.

Позднее Мпемба повторил эксперимент, однако в своём опыте он использовал уже не молоко, а воду и парадоксальный эффект вновь повторился.

Спустя 6 лет — в 1969 году Мпемба задал этот вопрос профессору физики Деннису Осборну приехавшему в его школу. Профессора заинтересовало наблюдение юноши, в итоге был проведён эксперимент, который подтвердил наличие эффекта, однако причин данного феномена установлено не было.

С тех пор явление называли эффектом Мпембы.

За всю историю научных наблюдений было выдвинуто множество гипотез о причинах возникновения феномена.

Так в 2012 году британским Королевским химическим обществом бы объявлен конкурс гипотез, объясняющих эффект Мпембы. В конкурсе участвовали учёные со всего Мира, всего было зарегистрировано 22 000  научных работ. Не смотря на столь внушительное количество статей, ни одна из них не внесла ясности в парадокс Мпембы.

Наиболее распространённой была версия согласно которой, горячая вода замерзает быстрее, так как она просто быстрее испаряется, её объём становится меньше, и по мере уменьшения объёма, скорость её остывания увеличивается. Самая распространённая версия в итоге была опровергнута так как был проведён эксперимент, в котором было исключено испарение, а эффект тем не менее подтверждался.

Другие учёные считали, что причина эффекта Мпембы заключается в испарении растворённых в воде газов. По их мнению, в процессе нагревания испаряются растворённые в воде газы, за счёт чего она обретает более высокую плотность чем холодная. Как известно, повышение плотности приводит к изменению физических свойств воды (увеличению теплопроводности), а следовательно и увеличению скорости охлаждения.

Помимо этого, был выдвинут ряд гипотез, описывающих скорость циркуляции воды, в зависимости от температуры. Во многих исследованиях была предпринята попытка установить взаимосвязь между материалом контейнеров в которых располагалась жидкость. Очень многие теории казались весьма правдоподобными, однако научно подтвердить их не удавалось из-за недостатка исходных данных противоречиях в других экспериментах, или же из-за того, что выявленные факторы были просто не сопоставимы со скоростью охлаждения воды. Некоторые учёные в своих работах ставили под сомнение существование эффекта.

В 2013 году, исследователи из Технологического университета Наньян в Сингапуре заявили, что разгадали загадку эффекта Мпембы. Согласно проведённому ими исследованию, причина феномена кроется в том, что количество энергии, запасённой в водородных связях между молекулами холодной и горячей воды существенно отличается.

Методы компьютерного моделирования показали следующие результаты: чем выше температура воды, тем большим оказывается расстояние между молекулами из-за того, что отталкивающие силы увеличиваются. А следовательно водородные связи молекул растягиваются, запасая большее количество энергии. При охлаждении молекулы начинают сближаться друг с другом, высвобождая энергию из водородных связей. При этом отдача энергии сопровождается понижением температуры.

В октябре 2017 года Испанские физики в ходе очередного исследования выяснили, что большую роль в формировании эффекта играет именно выведение вещества из равновесия (сильный нагрев перед сильным охлаждением). Они определили условия при которых вероятность проявления эффекта максимальна. Помимо этого, ученые из Испании подтвердили существование обратного эффекта Мпембы. Они выявили, что при нагревании более холодный образец может достичь высокой температуры быстрее, чем теплый.

Не смотря на исчерпывающие сведения и многочисленные эксперименты, учёные намерены продолжать изучение эффекта.

Закон сохранения энергии и теплопроводность

Когда горячая вода выливается в контейнер с холодной водой, происходит перенос теплоты от горячей жидкости к холодной. Вода, которая находится в контейнере, начинает поглощать тепло от горячей воды. При этом, как известно, вода при нагревании расширяется.

Однако, следует помнить, что вода плотнее в твердом состоянии, чем в жидком. Поэтому, вода начинает сжиматься и охлаждаться при передаче теплоты от горячей воды. Этот процесс ускоряется за счет высокой теплоемкости воды – способности удерживать тепло на себе.

Также важную роль в данном процессе играет теплопроводность – свойство материала проводить тепло. Оба вида воды – горячая и холодная – обладают разной теплопроводностью.

Горячая вода, как правило, проводит тепло гораздо лучше, чем холодная, из-за различия в движении молекул. Молекулы горячей воды движутся быстрее, причем это движение передается и на соседние молекулы, что способствует более эффективной передаче тепла. В то же время, молекулы холодной воды движутся медленнее, что затрудняет проникновение тепла внутрь жидкости.

Таким образом, закон сохранения энергии и разница в теплопроводности влияют на то, почему горячая вода превращается в лед быстрее, чем холодная. Законы физики подтверждают, что энергия передается от теплого тела к холодному, пока температуры не выровняются.

Почему вода замерзает – объяснение

Всем известна формула воды — Н2О. Несмотря на то, что она очень простая, у вещества много необычных свойств. Молекулярный состав образует из себя тетраэдр, где в центре расположен кислород, а в углах электронные пары и атомы водорода. Соотношение водорода и кислорода — 11,2% и 88.8%.

В массе объём воды представляет из себя совокупность тетраэдров, где водород расположен между двумя атомами кислорода, которые принадлежат двум разным молекулам. Это водородные связи. Расстояние между атомами кислорода — 2,76 ангстрем. И хотя такие связи значительно слабее ковалентных внутримолекулярных, это является дополнительным связующим элементом.

Теплоемкость

Агрегатное состояние вещества определяется энергией теплового движения молекул. Когда она небольшая, атомы выстраиваются в наиболее энергетически выгодное положение — чаще всего в симметричное. Это состояние называется твёрдое.

Если тепловую энергию системы увеличить, то атомы вырываются из кристаллической решетки, но на большое расстояние друг от друга удалиться не могут. В этом случае вещество будет жидкостью.

Если энергии хватит, чтобы преодолеть все связующие взаимодействия, то превратиться в газ.

Связь между молекулами определяет, сколько энергии необходимо жидкости, чтобы перейти в газообразное состояние. Это называется теплоемкостью, и у воды эта величина достаточно большая. Для нагревания 1 л воды на один градус надо затратить 4200 Дж. Это больше в 10 раз, чем необходимо для металлов, и в 4 раза превосходит теплоемкость камня, стекла или дерева.

При понижении температуры водородные связи притягивают молекулы воды, и они практически замирают в энергетически выгодном положении — с сохранением большого расстояния между молекулами. Это объясняет то, что лед занимает больший объем, чем то же количество жидкой воды.

Взаимодействие паров и воды и его роль в процессе замерзания

Взаимодействие паров и воды играют важную роль в процессе замерзания. Когда вода кипит, она превращается в пары, которые образуют и заполняют пространство над поверхностью жидкости. На молекулярном уровне, пары воды движутся с высокой энергией и имеют высокую скорость.

При охлаждении кипящей воды, ее скорость движения и энергия падают, и пары постепенно превращаются обратно в жидкость. Пары воды при охлаждении значительно быстрее сжимаются и образуют вихри, что ускоряет процесс конденсации. Этот процесс является одной из причин более быстрого замерзания кипятка по сравнению с холодной водой.

Свойство	Вода	Пары
Энергия	Низкая	Высокая
Скорость движения	Медленная	Высокая
Сжимаемость	Высокая	Низкая

Таким образом, взаимодействие паров и воды и их энергетические свойства определяют скорость замерзания кипятка. Пары воды быстро сжимаются, конденсируются и переходят в жидкое состояние, что способствует формированию кристаллов льда и приводит к более быстрому замерзанию кипятка по сравнению с холодной водой.

Со скольки градусов замерзает вода?

Рассмотрим, замерзает ли вода при 0, со скольки градусов она меняет свое агрегатное состояние и почему. Известно, что при температуре ниже нуля она превращается в лед. Но это не всегда так. На температуру замерзания влияют те же факторы, что и на время замерзания.

В обычной воде всегда присутствуют мелкие частицы минерального или растительного происхождения. Это могут быть домашняя пыль, песок, споры растений и т.п. При понижении температуры эти частицы выполняют роль точек притяжения, вокруг которых начинают формироваться кристаллы льда. Роль таких элементов могут выполнять пузырьки воздуха или царапины в емкости, где находится жидкость.

Для обычной воды, при нормальном атмосферном давлении, точкой фазового перехода является 0°С. При этой температуре на улице она замерзает.

Замерзание воды на высоте

При подъеме на высоту температура замерзания изменяется. Это связано с уменьшением атмосферного давления.

• +2°С – при такой температуре вода превращается в лед на высоте от 1 км;
• +4°С – температура замерзания воды на высоте от 2 км;

Фазовая диаграмма воды хорошо демонстрирует зависимость состояния вещества от внешних параметров.

Влияние давления

Когда давление повышается, температура замерзания воды падает:

• если давление составляет 2 атм, то лед образуется при -2°;
• когда давление достигает 4 атм, то эта величина равна -4°.

При понижении давления наблюдается обратная динамика — температура кипения воды уменьшается. Так на Эвересте она закипает при 68°С.

Состав воды

Температура замерзания зависит от состава воды, в том числе ее солености. Чем больше в ней соли, тем при более низкой температуре она замерзнет.

Например, средний уровень солености океана составляет 35 промилле, а температура замерзания примерно -1,9°. Черное море может замерзнуть от -0,9° до — 1,1°. Его соленость 18-20 промилле.

Особенности замерзания дистиллированной воды

Узнаем, почему эта вода не замерзает. Для процесса кристаллизации необходимы некоторые аттракторы (центры притяжения). В дистиллированной воде нет никаких примесей и она начинает замерзать при -40°. В лаборатории была даже получена вода, охлажденная до -70°.

В сети активно обсуждают одну известную историю. На Аляске зимой миссионер обнаружил на чердаке бутылки с водой, которые не замерзли, хотя были на морозе. Он решил забрать их с собой, но случайно уронил одну бутылку. Она упала на пол, и при ударе вода мгновенно превратилась в лед.

Мужчина повторил свой опыт, сбросив несколько бутылок с крыши. Эффект был тот же, но это не чудо. Дистиллированная вода не имеет примесей, и кристаллы льда не образуются, хотя температура и снижается. После удара происходит цепная реакция, и вода за секунду превращается в лед.

Почему каток заливают горячей водой?

Ученые выяснили, что если активировать дополнительное механическое средство подачи воды в горячую и холодную тару, охлажденная вода замерзнет намного быстрее. Это связано с тем, что не образуется плотная ледяная корка.

Почему каток наполняется горячей водой:

• Химики также пытались объяснить этот парадокс тем, что внутри нагретой жидкости находятся растворенные вещества, которые оседают на дно, а чистая вода оказывается сверху. Всем известно, что физраствор затвердевает при более низкой температуре, чем дистиллированная вода.
• Итак, они попытались объяснить этот парадокс. В результате охлажденная вода более жесткая, в ней содержатся ярко выраженные ионы во всем объеме. В этом случае в горячей жидкости растворенная соль предпочтительно находится в нижней части раствора.
• За счет этого верхняя часть быстрее застывает, передавая пониженную температуру нижним слоям жидкости.

Морозный день

Методология и подход

В ходе эксперимента был проведен ряд тестов для определения того, что замерзает быстрее — кипяток или холодная вода. Для этого была разработана следующая методология и подход:

1. Подготовка оборудования. Был выбран специальный стол для проведения эксперимента. На столе были размещены две идентичные по размеру и форме чашки, одна для кипятка, другая для холодной воды. Внутри чашек были помещены одинаковые по объему стеклянные стержни.
2. Подготовка исходных материалов. Для эксперимента была использована вода ртути, которая имеет низкую температуру замерзания и помогает точно определить время замерзания. Также был приготовлен кипяток и холодная вода, подсчитаны их объемы и температуры.
3. Измерение начальных условий. Были измерены начальные температуры кипятка и холодной воды. Также были зафиксированы начальные позиции стеклянных стержней в каждой из чашек.
4. Запуск эксперимента. В каждую из чашек был помещен одинаковый объем исходного материала — кипяток или холодная вода. Стеклянные стержни были установлены в заранее определенные позиции.
5. Наблюдение и измерение времени замерзания. В течение эксперимента наблюдалось и измерялось время замерзания для каждой из чашек. Для этого использовался хронометр и термометр.
6. Анализ полученных данных. После окончания эксперимента были проанализированы результаты и сделаны выводы о том, что замерзает быстрее — кипяток или холодная вода. Для анализа данных использовалась таблица, в которой были отображены начальные условия, время замерзания и другие характеристики.

Таким образом, использование описанной методологии и подхода позволило провести эксперимент и получить объективные результаты, позволяющие сделать выводы о том, что замерзает быстрее — кипяток или холодная вода.

Эффект Мпембы в реальной жизни

Вы когда-нибудь задумывались, почему каток зимой наполняется теплой, а не холодной водой? Как вы уже понимаете, они делают это потому, что наполненный горячей водой каток замерзнет быстрее, чем если бы он был наполнен холодной водой. По этой же причине горки в зимних ледяных городах залиты теплой водой.

Таким образом, знание о существовании явления позволяет людям сэкономить время на подготовке площадок для занятий зимними видами спорта.

Кроме того, эффект Мпемба иногда используется в промышленности для сокращения времени замораживания продуктов, веществ и материалов, содержащих воду.

Анализ парадокса[править]

Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35 °С.

Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько вариантов такого объяснения:

• Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
• Наличие снеговой шубы в морозилке холодильника. Контейнер с горячей водой протаивает под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки. Контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег. При отсутствии снеговой шубы контейнер с холодной водой должен замерзать быстрее.
• Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу. При дополнительном механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
• Наличие центров кристаллизации в охлаждаемой воде — растворенных в ней веществ. При малом количестве таких центров превращение воды в лед затруднено и возможно даже ее переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.

В опытах Мпембы и Осборна учитывалось четвертое условие, а остальные, по-видимому, нет.

Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос — какие из них обеспечивают стопроцентное вопроизведение эффекта Мпембы — так и не было получено. Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание. Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. (При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли). Утверждать пока можно только одно — воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.

Температура замерзания дистиллированной воды

Замерзает ли дистиллированная вода? Напомним о том, что для замерзания воды необходимо присутствие в ней неких центров кристаллизации, коими могут стать пузырьки воздуха, взвешенные частицы, а также повреждения стенок ёмкости, в которой она находится.

Дистиллированная вода, совершенно лишённая всяких примесей, не имеет и ядер кристаллизации, а поэтому её замерзание начинается при очень низких температурах. Начальная точка замерзания дистиллированной воды составляет -42 градуса. Учёным удалось добиться переохлаждения дистиллированной воды до -70 градусов.

Вода, подвергнутая воздействию очень низких температур, но при этом не кристаллизовавшаяся, называется «переохлаждённой». Можно, поместив бутылку с дистиллированной водой в морозильную камеру, добиться её переохлаждения, а затем продемонстрировать очень эффектный трюк — смотрите в видео:

Тихонько постучав по бутылке, извлечённой из холодильника, или бросив в неё небольшой кусочек льда, можно показать, как мгновенно она превращается в лед, имеющий вид удлинённых кристаллов.

Дистиллированная вода: замерзает или нет под давлением эта очищенная субстанция? Такой процесс возможен лишь в специально созданных лабораторных условиях.

Эффект Мпемба

Но давайте проясним одну вещь: на самом деле нет никаких споров о том, что эффект Мпемба существует. Это наблюдалось в многочисленных контролируемых экспериментах. Аристотель впервые отметил его существование, когда написал о том, как рыбаки нагревали воду. Чтобы она быстрее замерзла, более двух тысячелетий назад.

Эффект назван в честь танзанийца Эрасто Мпембы, который, будучи учеником средней школы в 1963 году, заметил, что смеси горячего мороженого замерзают быстрее, чем смеси холодного мороженого. Его вопрос к приглашенному лектору «Если вы возьмете два одинаковых контейнера с равными объемами воды, один с температурой 35°C, а другой – с температурой 100°C, и поставите их в морозильник. То тот, который был с температурой 100°C, замерзает первым. Почему? ” Вызвав, поначалу смех, позже опыт был воспроизведен и подтвержден.

Это совершенно нелогично и, похоже, нарушает основные законы термодинамики. Для ясности, мы говорим здесь о том, что при определенных условиях общее время, необходимое для замерзания объема теплой воды, будет меньше. Чем общее время, необходимое для замерзания равного объема холодной воды, с учетом точно такой же внешней температуры.

Это действительно странная вещь. Ведь в какой-то момент процесса теплая вода не достигает того же начального состояния, что и холодная? И если да, то почему эта холодная вода, которая недавно была горячей, замерзает быстрее, чем вода, которая вначале была холодной? Это заставляет людей чесать в затылках или открыто отрицать существование вопроса на протяжении десятилетий.

Лёд в природе

Изучением природных льдов во всех разновидностях на поверхности Земли, атмосфере, гидросфере, литосфере занимается наука – Гляциология.

Рассмотрим подробнее основные виды льда:

Атмосферный

Образуется в атмосфере и на земной поверхности. Выпадает на Землю в виде осадков: снега, инея, града. Также может образовать ледяные облака и туман.

Ледниковый (глетчерный)

Образуется в результате накопления и его последующего преобразования в ледяную массу. Ледники занимают 11 процентов суши. Наибольшая часть ледников расположены в Антарктиде. Самый известный шельфовый ледник Его площадь превышает 500 тыс. км2, а толщина льда достигает 700 м.

Подземный

Находится в верхней части земной коры. Основная масса находится в Северном полушарии. По подсчетам ученых запасы достигают от 0,3 до 0,5 млн км3

Морской

Образуется в море, океане при замерзании воды. Различают следующие виды:

• Припай – прикрепленный к берегу или отмели ледяной покров. Его площадь может достигать от несколько метров до тысячи километров.
• Паковый (многолетний) – морской, толщиной не менее 3 метров.
• Плавучий (дрейфующий) – это айсберги, обломки льдин.

По форме айсберги бывают столообразные и пирамидальные. Часто достигают гигантских размеров. Площадь гигантов уменьшается прогрессивно по мере их продвижения в более низкие широты.

Температура замерзания соленой воды

1. Замерзает ли соленая вода? Благодаря высокой концентрации солей океанская и морская вода замерзает при температуре -1,9 градуса по Цельсию.
2. Температура замерзания воды в морях и океанах не имеет постоянного значения, поскольку солёность воды в разных морях Мирового океана совершенно разная.
3. Как температура замерзания океанической воды зависит от ее солености? Между этими величинами существует самая прямая связь. Чем более солёной является вода, тем более высокой плотностью она обладает, а для замерзания такой воды требуется достаточно низкая температура.
4. Средняя температура воды в морях и океанах -4 градуса.

Температура замерзания отдельных морей

При скольких градусах замерзает вода:

• Каспийского моря? Солёность каспийских вод составляет около 13 промилле. Их замерзание происходит при -0,5 градуса Цельсия. Толщина ледяного покрова северной части Каспия составляет около двух метров.
• Азовского моря? Его соленая вода замерзает при температуре от -0,5 до -0,7 градусов по шкале Цельсия. Солёность составляет около 11 промилле. Толщина льдов, покрывающих море в период с декабря по март, равна одному метру.
• Японского моря? Почему соленая вода этого моря не замерзает? Это объясняется высоким (около 34 промилле) уровнем её солёности и географическим положением моря.
• Балтийского моря? При солёности, насчитывающей всего 6-8 промилле, температура замерзания морской воды в Балтике близка к нулю.