Эффект Мпембы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Эффект Мпембы, или парадокс Мпембы — парадокс, который гласит, что горячая вода (при некоторых условиях) может замёрзнуть быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания.

История открытия[править | править вики-текст]

Этот феномен упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танганьикский школьник Эрасто Мпемба заинтересовался причинами того, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная. Он обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы».

Этот же вопрос Мпемба задал приехавшему в школу Деннису Осборну, профессору физики. Проведенная экспериментальная проверка подтвердила наличие эффекта, но не дала его объяснения. В 1969 году в журнале «Physics Education[en]» вышла совместная статья Мпембы и Осборна, описывающая эффект[1]. В том же году Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета опубликовал статью с описанием явления в «American Journal of Physics[en]»[2].

Анализ парадокса[править | править вики-текст]

Есть несколько вариантов объяснения этого парадокса:

  • Горячая вода начинает испаряться. Но в холодном воздухе превращается в лед и начинает падать вниз, образовывая корку льда.
  • Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объём воды с той же температурой замерзает быстрее. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзать быстрее.
  • Наличие снеговой подкладки в морозильной камере холодильника. Контейнер с горячей водой плавит под собой снег, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозильника. Контейнер с холодной водой не плавит под собой снег. При отсутствии снеговой подкладки контейнер с горячей водой должен замерзать медленнее.
  • 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 её переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При одинаковом составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзать быстрее.
  • Из-за разницы в энергии, запасённой в водородных связях. Чем теплее вода, тем большим оказывается расстояние между молекулами жидкости из-за увеличения отталкивающих сил. В результате водородные связи растягиваются, а следовательно, запасают большую энергию. Эта энергия высвобождается при охлаждении воды — молекулы сближаются друг с другом. А отдача энергии и означает охлаждение[3].
  • Горячая вода может содержать меньше растворенных газов, потому что большое количество газа уходит при нагревании. Предполагается, что это изменяет свойства горячей воды и она быстрее охлаждается [4]
  • Лед плавает в холодной воде, а в горячей тонет. (Например: лед -10°С утонет в воде теплее +40°С. Смотрите график плотности воды от температуры). Если создать достаточно высокую скорость охлаждения (сильный мороз с ветром) - на поверхности будут образовываться кристаллики льда, которые из-за более тяжелого веса будут опускаться на дно. Если холод поступает ещё и снизу (из почвы) -то лёд начнёт намерзать снизу, вытесняя горячую воду. Теплопередача между слоями очень низкая. Плюс, тяжелая вода с температурой 3-5°С защитит лед снизу от соприкосновения с горячей водой сверху. Горячая вода предотвратит образование ледяной, теплоизолирующей корочки, и как следствие отдаст всё тепло быстрее, чем холодная, с теплоизоляцией.
   +       

Когда вода замерзает сверху, то по мере утолщения слоя - нижние слои льда выдавливают верхние и лёд становится неровным. При замерзании снизу - все деформации льда нивелируются жидкостью на поверхности. Лед получается ровный.

Но однозначного ответа на вопрос, какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизведение эффекта Мпембы, так и не было получено.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Mpemba E. B., Osborne D. G. Cool? // Physics Education. — Institute of Physics, 1969. — Т. 4, № 3. — С. 172—175. — DOI:10.1088/0031-9120/4/3/312. — Bibcode1969PhyEd...4..172M.
  2. Kell G. S. The Freezing of Hot and Cold Water // American Journal of Physics. — AIP Scitation, 1969. — Т. 37, № 5. — С. 564—565. — DOI:10.1119/1.1975687.
  3. Раскрыт секрет быстрого застывания горячей воды Вести.ру
  4. Пример физического явления В-науке.ру