Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Почему горячая вода

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? — Naked Science

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной?

Иногда горячая вода замерзает быстрее холодной. На этот эффект обращали внимание еще древнегреческие философы, но долгое время он оставался забытым. В поле современной науки его ввел... африканский школьник Эрасто Мпемба. В 1963 г. он обратил внимание на то, что горячая смесь мороженого застывает быстрее холодной, а в 1969 г. опубликовал статью, посвященную феномену, который впоследствии так и назвали – эффектом Мпембы.

С тех пор было выдвинуто несколько гипотез, объясняющих этот парадокс по отдельности или вместе. Во-первых, горячая вода быстрее испаряется, тем самым уменьшая свой объем и ускоряя замерзание. Во-вторых, на холодной воде может быстро образовываться тонкий замерзший слой, который изолирует ее и снижает скорость охлаждения остального объема. В-третьих, роль такого изолятора (в случае с мороженым) может играть слой изморози на стенках морозильной камеры. Горячая вода растапливает его, чем обеспечивается лучший контакт с холодными стенками и более быстрое охлаждение. Наконец, свою роль могут играть растворенные в воде вещества. В горячей воде растворение идет лучше, и при охлаждении в ней появляется больше центров кристаллизации, облегчающих замерзание.

Впрочем, что же именно происходит, до сих пор не было известно. Работу Мпембы подхватили физики сингапурского Наньянского технологического университета во главе с Си Чзаном (Xi Zhang). Им, наконец, удалось объяснить парадокс, связав его со свойствами самой воды.

Вспомним, что молекула воды состоит из атома кислорода, который с помощью ковалентной связи удерживает два атома водорода. Кислород частично оттягивает на себя электроны от водородов, так что молекула представляет собой слабый «магнит». В результате отдельные молекулы воды в жидкости слабо притягиваются друг к другу, связываясь водородной связью – прочность ее примерно в 18 раз ниже, чем у ковалентной связи.

По мнению сингапурских ученых, дело именно в водородных связях. Чем плотнее друг к другу находятся молекулы воды, тем сильнее их межмолекулярные взаимодействия деформируют ковалентные связи внутри самих молекул. А вот если воду нагреть, расстояние между связанными молекулами слегка увеличивается. Это приводит к тому, что ковалентные связи внутри молекул релаксируют, отдавая лишнюю энергию и тем самым переходя на более низкий энергетический уровень. В результате горячая вода уже сделала свой первый шаг к ускоренному охлаждению. Во всяком случае, теоретические расчеты, проведенные командой Си Чзана, подтверждают эту версию.

naked-science.ru

Почему горячая вода застывает быстрее холодной?

Горячая вода иногда застывает быстрее холодной - но почему? Этот любопытный феномен озадачивал ученых веками, но сейчас появились свидетельства что данный эффект может быть вызван наличием примесей.

Феномен более быстрого замерзания горячей воды известен под названием "эффект Мпембы". Он назван так в честь танзанийского школьника Эрасто Мпембы. Физики придумывали всевозможные теории, объясняющие этот феномен, такие как: быстрое испарение уменьшает объем горячей воды; слой льда изолирует холодную воду; разные концентрации растворов. Но найти разгадку было очень тяжело, так как эффект непостоянен - холодная вода также может застыть быстрее.

Джеймс Браунридж (James Brownridge), который контролирует радиационную безопасность в государственном университете Нью-Йорка (State University of New York at Binghamton), считает что ключ к разгадке кроется в непостоянстве результатов. За последние 10 лет он провел сотни экспериментов на эффект Мпемба в свое свободное время, и получил свидетельства что эффект основан на изменчивом феномене переохлаждения.

"Вода редко застывает при 0oC," рассказал Браунридж, - "Обычно вода переохлаждается, и начинает замерзать при более низкой температуре". Точка замерзания зависит от примесей в воде, которые оказывают влияние на формирование кристаллов льда. В воде могут содержаться различные примеси: частички пыли, растворенная соль или бактерии. В зависимости от вида примесей меняется температура замерзания. Примесь с самой высокой точкой замерзания определяет температуру замерзания воды.

Браунридж проводит опыт таким образом: две пробы воды одной и той же температуры - допустим вода из под крана 20oC - в закрытой посуде охлаждается в холодильнике. Одна проба замерзнет быстрее, предположительно из-за того что смесь примесей в ней имеет более высокую температуру замерзания.

Если разница примесей достаточно велика, то проявится эффект Мпембы. Браунридж выбрал образец с самой высокой температурой замерзания и нагрел его до 80oC, тогда как другие образцы были комнатной температуры. Затем он положил все образцы в холодильник. Горячая вода всегда застынет быстрее, если ее точка замерзания как минимум на 5oC больше, рассказал Браунридж.

Может показаться невероятным что смещение финишной черты всего на 5oC достаточно, чтобы образец с начальной температурой на 60oC выше застыл быстрее. Но чем больше температурная разница между объектом и окружающей средой (в данном случае холодильником) - тем быстрее объект охлаждается. Поэтому более горячий образец очень быстро остынет, достигнув своей точки замерзания, например в -2oC, быстрее чем более холодная вода достигнет точки замерзания в -7oC.

Почему никто не замечал этого раньше? Браунридж рассказал, что другие люди недостаточно контролировали условия проведения эксперимента чтобы можно было проверять один фактор за раз. Например, необходимо контролировать тип контейнера, положение образца в холодильнике и так далее.

Эта работа врядли положит конец спорам вокруг эффекта Мпембы. Джонатан Катц (Jonathan Katz) из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, Миссури (Washington University in St Louis, Missouri), отнесся к теории Браунриджа со скептицизмом. Согласно теории Катца, нагревание повышает точку замерзания воды, выпаривая примеси, такие как диоксид углерода. Это значит что само по себе нагревание уже повышает шансы что вода замерзнет быстрее, в отличие от более непостоянных результатов Браунриджа. "Возможно он обнаружил эффект переохлаждения, который напоминает эффект Мпембы", - заявил Катц.

Оригинал (на англ. языке): Newscientist.com

28 сентября 2015 г. специалисты НАСА подтвердили, что на Марсе течет жидкая вода. Новые исследования показали, что Марс не совсем сухая красная планета. Как доказательство на сайтах НАСА появились фотографии с темными полосами на склонах марсианских холмов. Ученные утверждают, что эти темные полосы – это текущая жидкая вода. На фото вверху темные полосы вытекают из стенок кратера Гарни. Длинные темные полосы на фотографиях Марса тянутся

Группой ученых-экспертов после проведенного ими исследования был сделан вывод, что в глубоких недрах земли содержатся большие запасы воды. По их утверждению, обнаруженная вода превышает по количественному объему мировой океан. Результат исследования был представлен экспертами соответствующими тематическими статьями в одном из международных издательств. На данный момент, учеными предельно точно установлено

Научные сотрудники американского университета Огайо, возглавляемые Венди Панеро, сообщают, что в недрах нашей планеты может быть вода, объем которой раз в десять превышает объем наземного мирового океана. Этот вывод был получен в рамках смоделированной модели Земли с физической и математической точки зрения. Были изучены процессы, которые могут иметь место глубоко в коре нашей планеты. Согласно проведенным расчетам, под

globalscience.ru

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной

В 1963 году танганьикский школьник Эрасто Мпемба подошел на уроке к учителю физики и попросил объяснить почему горячая вода замерзает быстрее холодной, но тот лишь посмеялся над учеником, сказав следующее: «Это не всемирная физика, а физика Мпембы». Но мальчик стоял на своем, ведь он видел это своими глазами поставив две кружки воды в холодильник, и горячая замерзла быстрее.

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» вышла совместная статья Мпембы и Осборна, описывающая эффект. В том же году Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета опубликовал статью с описанием явления.

Есть несколько вариантов объяснения этого парадокса:

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 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 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 запасенных 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, как известно, и означает охлаждение.

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

Похожее

buffetclub.ru

Почему горячая вода замерзает быстрей,чем холодная?

В 1963 году школьник Эрасто Мпемба на уроке попросил учителя по физике объяснить, отчего горячая вода замерзает быстрей холодной... Однако тот лишь рассмеялся, сказав : «Это не всемирная физика, а физика Мпембы». Тем не менее мальчик настаивал на своем, так как он видел все это сам- поставив две чашки воды в холодильник, горячая замерзла быстрей.

Тот же вопрос Мпемба задал приехавшему в школу Деннису Осборну, профессору физики. Проведенная опытная проверка показала наличие эффекта, однако не могла дать объяснения.

В 1969 году в журнале «Physics Education» вышла статья Мпембы и Осборна, которая описывала тот парадокс. Существует несколько вариантов пояснения этого феномена:

1.горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объем, а меньший объем воды при той же температуре замерзает быстрей. В герметичных контейнерах холодная вода должна замерзнуть быстрей.

2. Снег в морозильной камере холодильника контейнер с горячей водой плавит под собой ,те самым улучшая тепловой контакт со стенкой морозильника. А вот контейнер с холодной водой не плавит под собой снег. Если бы снеговой подкладки не было,то контейнер с холодной водой должен замерзнуть быстрей.

3. Холодная вода начинает замерзать сверху, снижая тем самым излучение тепло и конвекцию, а значит и убыль тепла, ибо горячая вода начинает замерзать снизу. При механическом перемешивании воды в контейнерах холодная вода должна замерзнуть быстрей.

4. Существование центров кристаллизации в охлаждаемой воде — то есть растворенных в ней веществ. При небольшом числе этих центров превращение воды в лед затрудняется и возможно даже её переохлаждение, когда она остается в жидком состоянии, имея минусовую температуру. При равном составе и концентрации растворов холодная вода должна замерзнуть быстрей.

Однако однозначного ответа на вопрос, какой же фактор из них обеспечивает 100- процентное воспроизводство эффекта Мпембы, так и не было найдено.

crazy.casa