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. Данное наблюдение, на первый взгляд, противоречит первому началу термодинамики.

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]
  • По мере нагревания водородные связи ослабевают и молекулы воды в кластерах занимают такие позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда[5]. В холодной воде все происходит так же, но энергии на разрыв водородных связей требуется больше — поэтому замерзание происходит медленнее[6].

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

Отрицание существования эффекта Мпембы[править | править вики-текст]

24 ноября 2016 года в журнале Nature была опубликована статья, где авторы утверждают, что в опубликованных ранее материалах нет чёткого научного определения эффекта, сами дают такое определение, и показывают, что при следовании этому определению эффект не проявляются. В том числе, они указывают и на недостаточную строгость утверждения «горячая вода не остывает быстрее, чем холодная» (интуитивно ожидаемое поведение) — очевидно, что горячую воду можно остудить быстрее, чем холодную, если, к примеру, увеличить мощность, используемую для охлаждения. В статье показано, что при охлаждении двух порций воды, идентичных между собой за исключением начальной температуры, горячая вода замерзала дольше, как и следовало ожидать согласно первому закону термодинамики[7].

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
  5. Статья в Journal of Chemical Theory and Computation
  6. Ученые нашли новое объяснение «парадоксу Мпембы». naked-science.ru (9 января 2016). Проверено 24 января 2017.
  7. Henry C. Burridge, Paul F. Linden. Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold. Nature