Что замерзает быстрее воздух или вода

Еще одно объяснение эффекта Мпембы (это про почему кипяток замерзает быстрее холодной воды)

От переводчика: всю жизнь мучился вопросом, а тут на тебе- опять объяснили.

Краткое содержание: из-за наличия водородных связей в молекулах воды происходит изменение конфигурации ковалентных связей О-Н, с запасанием в них дополнительной энергии, выделяющейся при охлаждении и работающей как дополнительный подогрев, мешающий замерзанию. В горячей воде водородные связи растянуты, ковалентные не напряжены, запас энергии мал- остывание и замерзание идет быстрее. Существует некоторое характерное время tau, необходимое на формирование водородных связей, если процесс охлаждения будет идти медленно- то эффект Мпембы исчезнет. Если процесс охлаждения идет относительно быстро (до десятков минут)- то эффект выражен. Вероятно, должна быть и какая-то критическая температура, начиная с которой эффект появляется, но в статье это не отражено.

На КДПВ приведено изображение из оригинальной статьи, глядя на которое читатель должен со всей ясностью увидеть, что в ковалентных связях запасается энергия, которая затем может выделяться в виде дополнительного тепла, мешая остывать холодной воде.

История вопроса

Аристотель первым отметил, что горячая вода замерзает быстрее холодной, но химики всегда отказывались объяснять этот парадокс. До сегодняшнего дня.

Вода одно из самых обычных веществ на Земле, но в тоже время одно из самых загадочных. Например, как и у большинства жидкостей, ее плотность растет при охлаждении. Однако, в отличие от остальных, ее плотность достигает максимума при температуре 4С, а затем начинает уменьшаться вплоть до температуры кристаллизации.

В твердой фазе вода имеет несколько меньшую плотность, из-за чего лед плавает на поверхности воды. Это одна из причин существования жизни на Земле — если бы лед был плотнее воды, то при замерзании он опускался бы на дно озер и океанов, что сделало бы невозможным многие типы химических процессов, которые делают жизнь возможной.

Итак, существует странный эффект Мпембы, названный в честь танзанийского студента, который обнаружил, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее, чем холодная в морозилке школьной кухни где-то в начале 1960-х. (На самом деле этот эффект отмечался множеством исследователей в истории, начиная с Аристотеля, Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта).

Эффект Мпембы заключается том, что горячая вода замерзает быстрее холодной. Этот эффект измерялся во множестве случаев с различными объяснениями, изложенными далее. Одна из идей заключается в том, что горячие сосуды имеют лучший тепловой контакт с морозильной камерой и отводят тепло более эффективно. Другая- в том, что теплая вода испаряется быстрее, а так как этот процесс- эндотермический (идет с поглощением теплоты)- то он ускоряет замерзание.

Ни одно из этих объяснений не выглядит правдоподобным, поэтому реальное объяснение до сих пор отсутствовало.

Новое объяснение эффекта (теперь-то уж точно правильное)

Сегодня Зи Чанг из Наньянгского технологического университета Сингапура и несколько его коллег предоставили таковое. Эти ребята утверждают, что эффект Мпембы является результатом уникальных свойств различных типов связи, удерживающих молекулы воды вместе.

Так что же такого в этих связях? Каждая молекула воды состоит из сравнительно большого атома кислорода, соединенного с двумя маленькими атомами водорода обычной ковалентной связью. Но если поместить рядом несколько молекулы воды, то водородные связи тоже начнут играть важную роль. Это происходит из-за того, что атомы водорода одной молекулы располагаются вблизи кислорода другой молекулы, и взаимодействуют с ним. Водородные связи намного слабее ковалентных (прим. пер.

в 10 раз), но сильнее чем Ван-дер-Ваальсовы силы, которые использует геккон для прилипания к вертикальным стенам.

Химики давно знают о важности этих связей. Например, точка кипения воды намного выше, чем у других жидкостей с похожими молекулами, из-за того, что водородные связи удерживают молекулы вместе.

Но в последние годы химики все более интересуются другими ролями, которые могут играть водородные связи. Например, молекулы воды в тонких капиллярах формируют длинные цепочки, удерживаемые водородными связями. Это очень важно для растений, у которых испарение воды через мембраны листьев эффективно протаскивает цепь молекул воды от корней вверх.

Теперь Зи с соавторами утверждают, что водородные связи так же объясняют эффект Мпембы. Их ключевая идея состоит в том, что водородные связи приводят к более плотному контакту молекул воды, и когда это происходит, естественное отталкивание между молекулами приводит к сжатию ковалентных связей и накоплению энергии в них.

Однако, когда жидкость нагревается, расстояние между молекулами увеличивается, а водородные связи растягиваются. Это также позволяет увеличить длину ковалентных связей и таким образом- отдать обратно энергию, накопленную в них. Важным элементом теории является тот факт, что процесс, при котором ковалентные связи отдают накопленную в них энергию- эквивалентен охлаждению!

В действительности- этот эффект усиливает обычный процесс охлаждения. Таким образом, горячая вода должна охлаждаться быстрее холодной, рассуждают авторы. И это именно то, что мы наблюдаем в эффекте Мпембы.

Почему новое объяснение лучше предыдущих?

Эти ребята рассчитали величину дополнительного охлаждения, и показали, что она в точности соответствует наблюдаемой разнице в экспериментах по измерению разности скоростей охлаждения горячей и холодной воды. Вуаля! Это интересный взгляд на сложные и загадочные свойства воды, которые все еще заставляют химиков не спать по ночам. Несмотря на то, что идея Зи и соавторов убедительна, она может оказаться очередной ошибкой теоретиков, которую другие физики должны будут опровергнуть. Это оттого, что теории не хватает прогностической силы (по крайней мере- в оригинальной статье).

Зи и соавторам необходимо воспользоваться своей теорией для предсказания новых свойств воды, которые не выводятся из обычных рассуждений. Например, если ковалентные связи укорачиваются- это должно приводить к возникновению каких-то новых измеряемых свойств воды, которые не должны были бы проявляться в противном случае. Открытие и измерение таких свойств было бы последней вишенкой на торте, которой не хватает теории в ее текущем виде.

Итак, несмотря на то, что парни, возможно, неплохо объяснили эффект Мпембы, им необходимо чуток поднапрячься, чтобы убедить в этом остальных.

Как бы то ни было, теория у них интересная.

P.S. в 2016 один из соавторов — Чанг Солнце (Chang Q. Sun) совместно с Йи Солнцем (Yi Sun) опубликовали более полное изложение предложенной теории, с рассмотрением поверхностных эффектов, конвекции, диффузии, излучения и других факторов- и вроде бы наблюдают хорошее согласие с экспериментом (Springer).

Литература

Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox

почему «опять объяснили»- а потому что уже было:

Источник

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной

Холодная погода характерна для большей части нашей страны. Кроме катания на лыжах в это время можно проводить некоторые эксперименты с водой. Например, бросать в воздух горячую воду, делая тем самым снег. Этот эффектный трюк основан на интересном факте, известном ещё со времён Аристотеля.

Описывается он просто — горячая вода замерзает быстрее холодной. Данное свойство получило название эффекта Мпембы. Танзанийский школьник обнаружил это явление в 1963 году. Так почему же горячая вода замерзает быстрее холодной?

Эксперименты с мороженым

Эрасто Мпемба и другие дети в его школе часто делали мороженое, используя школьную морозильную камеру. Процесс был таков: они кипятили молоко и смешивали его с сахаром. После чего эту смесь помещали в морозилку. И однажды Мпемба поспешил и положил получившуюся субстанцию охлаждаться в разгоряченном состоянии.

Получилось так, что его мороженое получилось быстрее, чем у одноклассника. Но школьнику мало кто поверил, и в 1969 году Мпемба вместе с профессором физики опубликовали статью по этому поводу. Данный эффект наблюдается не всегда, поэтому если вы попытаетесь повторить его дома, далеко не факт, что это произойдёт. Вероятно, на это есть несколько причин .

Версии объяснения данного эффекта

Обнаружение эффекта Мпембы не позволило с абсолютной точностью объяснить данное явление. Полностью понять этот процесс пока не получилось, но научных споров ведётся много. И существует несколько версий объяснения эффекта Мпембы.

Наиболее часто выдвигаемая гипотеза — горячая вода испаряется из-за потери массы. В результате жидкость замерзает, теряя меньше тепла. Однако были случаи, когда эффект Мпембы наблюдался и в закрытых контейнерах, где испарения не было.

Другое предположение состоит в том, что вода развивает конвекционные потоки и температурные градиенты по мере ее охлаждения. Быстро остывающий стакан с горячей водой будет иметь большие перепады температур и быстрее отводить тепло от поверхности. В то время как равномерно охлаждённый стакан воды имеет меньшую разницу температур. Также получается меньше конвекции, ускоряющей процесс.

Существуют также и другие теории. Например, согласно одной из них все дело во влиянии растворенных газов в воде на процесс замораживания. В 2013 году группа исследователей из Сингапура предложила свою версию объяснения эффекта Мпембы. По их словам, разгадка кроется в уникальных свойствах химических связей в воде.

Как известно, стандартная молекула воды содержит один атом кислорода и два атома водорода. Они соединены ковалентными связями. Но когда происходит соединение нескольких молекул, атомы водорода также образуют связи с атомами кислорода в других молекулах. Эти водородные связи придают воде некоторые ее свойства, такие как относительно высокая температура кипения и уменьшенная плотность при заморозке.

Исследователи считают, что во время кипения воды молекулы растекаются, удлиняя водородные связи. Но из-за ограниченного объема ковалентные связи в отдельных молекулах сжимаются, накапливая энергию. Если вода замерзает в таком состоянии, связи высвобождают энергию в виде «размотанной пружины», охлаждаясь гораздо быстрее.

Но не все эксперты согласны с такой трактовкой эффекта Мпембы. Кто-то обвиняет экспертов в том, что их теория могла бы предсказать новое свойство воды. Однако его нет в привычном понимании. Химик Ричард Заре из Стэнфордского университета вовсе считает, что быстрое замерзание горячей воды преимущественно зависит от испарения.

Скорее всего, именно из-за этого и происходит эффект Мпембы. Возможно, в будущем ученым удастся полностью доказать это или привнести какие-то поправки к объяснению.

Источник

Необычные свойства обычной воды или парадокс Мпембы – реальность или фейк

Вода – это источник всего живого на нашей Земле. Если взглянуть на ее химический состав, то можно подумать, что она предельно проста, а значит, никакими уникальными свойствами не обладает. Но это далеко не так. На самом деле обычная вода не раз удивляла и до сих пор удивляет ученых своими необычными свойствами. В этой статье я хочу рассказать вам о так называемом парадоксе Мпембы – когда горячая вода застывает быстрее, чем холодная. Итак, начнем.

История Парадокса

На самом деле данный эффект наблюдался еще такими учеными мыслителями как: Аристотель, Ф. Бэкон и Р. Декарт. Но в современную физику этот парадокс занесен под именем Э. Мпемба, который еще будучи учеником в 1963 году озадачил учителя физики очень простым вопросом:

Почему в его морозилке теплое мороженное застыло быстрее, чем холодное?

На что учитель ответил, что он (ученик) открыл новую физику – Физику Мпембе.

Уже став учеником средней школы пытливый ученик задал вопрос по поводу воды профессору Д. Осборну (который был приглашен из колледжа в Дар-Эс-Саламе, для ведения уроков по физике), который звучал так:

«Если взять два одинаковых контейнера и поместить в них воду, в один теплую с температурой 35 градусов по Цельсию, а во второй горячую с температурой 100 градусов по Цельсию, то во втором контейнере (с горячей водой) быстрее образуется лед. Почему так происходит?»

Профессора заинтересовала данная тема и уже в 1969 году была опубликована совместная научная работа ученика и профессора в журнале Physics Education . Именно с того момента этот эффект и получил название парадокс Мпембе.

Источник

Парадокс Мпембы. Почему горячая вода замерзает быстрее холодной.

Парадокс Мпембы — один из множества примеров, как наше мышление достраивает картину мира, которая в итоге может категорически не совпасть с реальностью. Мышление нас обманывает. Вода не стремиться поразить нас никакими «фокусами»: реальность такая, какая она есть, и если какая-нибудь часть реальности противоречит нашему представлению о ней, мы называем это парадоксом.

Многие из нас в детстве, а также в юношестве, часто экспериментировали с физическими явлениями, в том числе с замерзанием воды. Как ни странно, но многие из нас знают, что почему-то катки принято заливать горячей водой, а не холодной, потому что она быстрее замерзает.

Об этом факте было известно очень давно, еще со времен Аристотеля, а также Декарта. Однако каких-то научных подтверждений не было. Только в 1963 году начались существенные работы, основная задача которых выяснить, почему так происходит.

Согласно физике, это противоречит первому закону термодинамики, согласно которому одна энергия перетекает в другую. По первому началу термодинамики нагретая жидкость, перед тем как отвердеть, должна пройти температуру охлаждения, соответственно и время отвердения должно быть гораздо больше.

Однако на практике происходит иначе. Об этом задумался школьник, который задал своему учителю физики соответствующий вопрос. Мальчик готовил дома мороженое, и заметил, что стакан с теплой жидкостью замерз гораздо быстрее, нежели с прохладной, при одинаковом составе субстанции.

Тогда учитель лишь посмеялся над парнем, сказав, что это противоречит первому закону термодинамики, поэтому невозможно. После визита в школу известного физика Осборна, мальчик задал ему тот же вопрос, чем заинтересовал ученого.

Именно с 1963 года Осборн, вместе с мальчиком, начали заниматься этим вопросом, в результате чего была опубликована статья, в журнале educacion. При этом точного ответа, почему же нагретая жидкость отвердевает быстрее холодной, не было получено.

По мнению некоторых ученых, теплый раствор в холодильнике с термостатом переходит в твердое состояние гораздо быстрее лишь по той причине, что холодильник начинает сильнее морозить, при поступлении сигнала о повышении температуры в камере. Этого не происходит с охлажденной жидкостью, так как ее температура гораздо ниже, и термостат работает в обычном режиме, без снижения температуры хладагента. Однако эта версия не получила подтверждение по той причине, что нагретая жидкость в обычных условиях на воздухе, также отвердевает гораздо быстрее, чем холодная. Соответственно термостата в обычных уличных условиях нет, поэтому и усиления холода не происходит.

Однако удалось выяснить, что нагретая жидкость, из-за наличия над поверхностью большого количества испарений, отвердевает гораздо быстрее по причине того, что на поверхности образуются пары, объем жидкости в контейнере уменьшается. Тем самым удается заморозить меньшее количество жидкости, что гораздо проще, чем большее. Однако на практике потеря объема незначительная, поэтому и процесс затвердения нельзя считать оправданным.

Многие ученые сходятся во мнении, что нагретая жидкость, из-за наличия испарений, начинает превращаться в лед быстрее. Ледяные капельки над поверхностью, попадают в воду, что способствует образованию корки льда, из-за чего происходит быстрый процесс превращения в лед.

Научные работники выяснили, что, если поставить емкость с теплой жидкостью на снег, или ледяную корку в холодильнике, она начинает плавиться, в результате чего контакт между емкостью, водой в ней, а также холодильником, увеличивается, тем самым увеличивается площадь соприкосновения, в результате чего происходит быстрое замерзание теплой воды. Охлажденная вода не оказывает такого эффекта из-за того, что под ней снежная подушка не плавится, и процесс превращения в лед происходит гораздо медленнее. Кроме того, удалось выяснить, что холодная жидкость, при снижении температуры, начинается отвердевать в верхней части. В результате этого ухудшаются процессы смешения воды внутри, поэтому и процесс затягивается. Нагретая жидкость начинает замерзать снизу, тем самым усиливая процессы конвекции, теплоизлучения.

В 2017 году была опубликована гипотеза, согласно которой эффект Мпембы, который касается нагрева охлажденной системы, не соответствует равновесию. Поэтому под этот парадокс не подходят все основные законы физики и термодинамики.

Однозначного ответа на вопрос, какие эксперименты обеспечивают стопроцентное воспроизведение эффекта Мпембы, так и не было получено.

Источник