Эффект Мпембы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Эффе́кт Мпе́мбы, или парадо́кс Мпе́мбы, — псевдонаучный парадокс, который гласит, что горячая вода может замёрзнуть быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данное наблюдение противоречит первому началу термодинамики.

Mpemba-two-water-probes.svg

История открытия[править | править код]

То, что горячая вода остывает быстрее, упоминали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт. Это связано с большей скоростью испарения и излучения тепла, но никак не повлияет последующее замораживание. 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 код]

Было предложено несколько вариантов объяснения этого парадокса:

  • Использование бытового холодильника с большим температурным гистерезисом в качестве экспериментального "прибора". Горячая вода, в отличие от холодной нагревает термостат, тот запускает компрессор и холодильник начинает морозить. Процесс инерционный, поэтому небольшое количество воды успевает даже замерзнуть. Использование термостатированого холодильника опровергает этот парадокс. (Однако эта версия не стыкуется с тем, что эффект, как было вышеупомянуто, предположительно, был известен Аристотелю, Френсису Бэкону и Рене Декарту, которые явно не пользовались термостатированым холодильником)
  • 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 код]

24 ноября 2016 года в журнале «Scientific Reports[en]» (входит в группу «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 проявляется. В том числе, они указывают и на недостаточную строгость утверждения «горячая вода не остывает быстрее, чем холодная» (ожидаемое поведение) — очевидно, что горячую воду можно остудить быстрее, чем холодную, если, к примеру, увеличить мощность, используемую для охлаждения. В статье показано, в частности, что при охлаждении трёх 400-граммовых порций воды, во всём идентичных между собой за исключением начальной температуры (21,8; 57,3; 84,7 °C), залитых в одинаковые стаканы и помещённых в термостатированный морозильник при −18 °C, горячая вода достигала нулевой температуры дольше (соответственно за 6397, 9504 и 10812 секунд), как и следовало ожидать согласно первому закону термодинамики[7].

Примечания[править | править код]

  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. Burridge Henry C., Linden Paul F. Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold (англ.) // Scientific Reports. — 2016. — 24 November (vol. 6, no. 1). — P. 37665-1—37665-11. — ISSN 2045—2322. — DOI:10.1038/srep37665. — Bibcode2016NatSR...637665B.