Эффект Мпембы

Какая вода застывает быстрее — холодная или горячая? А почему? Слышали ли вы когда-либо об африканском мальчике Эрасто Мпемба, которые заставил ученых мужей крепко подумать над его вопросом. Рассказываем...

 
     
 
Проведём опыт, нальем две кружки (одну с холодной водой, а вторую с горячей) и поставим обе в морозилку. Проверка каждый полчаса. Ну, что у вас получилось? Какая вода быстрее изменила своё агрегатное состояние и превратилась из жидкости в твёрдое тело? 
 
Горячая! -  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: «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. В том же году Джордж Келл из канадского Национального исследовательского совета опубликовал статью с описанием явления в «American Journal of Physics[en]».
 

 
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.
* 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.
* По мере нагревания водородные связи ослабевают и молекулы воды в кластерах занимают такие позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда. В холодной воде все происходит так же, но энергии на разрыв водородных связей требуется больше — поэтому замерзание происходит медленнее.
 
Но однозначного ответа на вопрос, какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизведение эффекта Мпембы, так и не было получено. В 2016 году эффект Мпембы был подвергнут критике в научной среде — во-первых, не всегда срабатывает, а во-вторых, нет чёткого научного объяснения. 
 
Подождём, кто из современных детей поставит точку в этом споре и раскроет секрет воды. 
 
                  
 
Заходите в разделы с научными наборами и выбирайте то, что вам интересно сейчас. Мотивируйте ребенка на исследования и опыты. Все, что он узнает и увидит через проведенные опыты, запомнится на всю жизнь! А еще это отличный подарок для ребенка любого возраста. Даже, если у него уже был кристалл, то он с радостью вырастит новый! 

Комментарии (0)

Оставить комментарий

Комментировать при помощи: