Чому гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна?

Це дійсно так, хоча звучить неймовірно, т.к в процесі замерзання попередньо нагріта вода повинна пройти температуру холодної води. Тим часом, цей ефект широко використовується. Наприклад, катки і гірки взимку заливають гарячою, а не холодною водою. Фахівці радять автомобілістам заливати взимку в бачок омивача холодну, а не гарячу воду. Парадокс відомий у світі, як «Ефект Мпемби».

Цей феномен згадували свого часу Аристотель, Френсіс Бекон і Рене Декарт, проте лише в 1963 році на нього звернули увагу професора фізики і спробували досліджувати. Все почалося з того, що танзанійський школяр Ераста Мпемби зауважив, що підсолоджене молоко, яке він використовував для приготування морозива, застигає швидше, якщо воно було попередньо підігрітий і висунув припущення, що гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна. Він звернувся за роз’ясненнями до вчителя фізики, але той лише посміявся над учнем, сказавши наступне: «Це не всесвітня фізика, а фізика Мпемби».

На щастя, одного разу в школі побував Денніс Осборн, професор фізики з університету Дар-ес-Салама. І Мпемби звернувся до нього з тим же питанням. Професор був налаштований менш скептично, сказав, що він не може судити про те, чого ніколи не бачив, і після повернення додому попросив співробітників провести відповідні експерименти. Схоже, вони підтвердили слова хлопчика. У всякому разі, в 1969 році Осборн розповів про роботу з Мпемби в журналі «англ. Physics Education ». У тому ж році Джордж Келл з канадського Національного дослідницького ради опублікував статтю з описом явища в «англ. American Journal of Physics ».

Є кілька варіантів пояснення цього парадоксу:

Гаряча вода швидше випаровується, зменшуючи тим самим свій об’єм, а менший обсяг води з тією ж температурою замерзає швидше. У герметичних контейнерах холодна вода повинна замерзати швидше.
Наявність сніговий підкладки. Контейнер з гарячою водою протавали під собою сніг, покращуючи тим самим тепловий контакт з охолоджуючої поверхнею. Холодна вода не протавали під собою сніг. При відсутності сніговий підкладки контейнер з холодною водою повинен замерзати швидше.
Холодна вода починає замерзати зверху, погіршуючи тим самим процеси тепловипромінювання і конвекції, а значить і убутку тепла, тоді як гаряча вода починає замерзати знизу. При додатковому механічному перемішуванні води в контейнерах холодна вода повинна замерзати швидше.
Наявність центрів кристалізації в охолоджуваній воді – розчинених у ній речовин. При малій кількості таких центрів в холодній воді перетворення води в лід утруднене і можливо навіть її переохолодження, коли вона залишається в рідкому стані, маючи мінусову температуру.
Нещодавно було опубліковано ще одне пояснення. Д-р Джонатан Катц (Jonathan Katz) з Вашингтонського університету досліджував це явище і прийшов до висновку, що важливу роль у ньому грають розчинені у воді речовини, які при нагріванні осідають.
Під розчиненими речовинами д-р Катц увазі бікарбонати кальцію і магнію, які містяться в жорсткій воді. Коли воду нагрівають, ці речовини осідають, вода стає «м’якої». Вода, яка ніколи не нагрівалася, містить ці домішки, вона «жорстка». У міру її замерзання і утворення кристалів льоду концентрація домішок у воді збільшується в 50 разів. Через це знижується точка замерзання води.

Мені це пояснення не здається переконливим, тому не треба забувати, що ефект був виявлений в дослідах з морозивом, а не з жорсткою водою. Швидше за все причини явища теплофізичні, а не хімічні.

Поки однозначного пояснення парадоксу Мпемби не отримано. Треба сказати, що деякі вчені не вважають цей парадокс вартим уваги. Однак це дуже цікаво, що простий школяр домігся визнання фізичного ефекту і отримав популярність через своєї допитливості та наполегливості.

 

Посилання на основну публікацію