Может замерзнуть кипящая вода

Парадокс Мпембы, или почему кипяток замерзает быстрее холодной воды

Если спросить у простого человека, что замерзнет первым кипяток или вода комнатной температуры, то большинство из них уверенно выберут последний вариант и будут неправы.

Почему же так происходит? Может ли замерзнуть кипящая вода? В чем причина парадоксального явления и как его объясняют ученые?

Может ли замерзнуть?

Ответ простой – да, может. Более того, кипящая вода замерзнет быстрее холодной.

Что быстрее: кипящая или холодная H2O?

Учеными проведено множество экспериментов и доказано, что первой кристаллизуется кипящая вода.

Если в морозилку одновременно поставить две емкости одинакового объема и формы с кипятком и простой водой, то первым превратится в лед именно кипяток.

Хотя, если следовать логике, он должен сначала остыть, а уже потом кристаллизоваться. Но это не так.

Стоит отметить, что подобный эффект наблюдался людьми давно. На это указывал в своих записях Аристотель, интересовался явлением Р.Декарт. Однако тщательно изучением данного вопроса в то время мало кто занимался, оно не особо интересовало ученых.

Основательному изучению темы дал старт любознательный танзанский школьник, который в быту обнаружил, что разогретая жидкость, будь то молоко или вода, кристаллизуется быстрее.

Почему?

Полностью объяснить и понять явление пока не получилось, но споров среди ученых по данной теме ведется достаточно.

Однако некоторые гипотезы все же имеют место:

1. При кипении происходит испарение и уменьшение объема вода, а значит, процесс кристаллизации активизируется, т.е. ускоряется.
2. Испаряются растворенные в воде газы, поэтому плотность воды в кипящем состоянии выше, чем у воды комнатной температуры. Известно, что высокий процент плотности способствует скорости охлаждения.
3. Замерзание горячей воды начинает идти снизу, и верхний слой поверхности остается свободным. Это позволяет процессам конвекции и излучения тепла не останавливаться и не замедляться. У воды в обычном состоянии сначала промерзает верхняя поверхность, которая тормозит выход тепла.

Есть и другие версии, объясняющие парадоксальное явление. Одно из них было выдвинуто ученым из Вашингтона Д.Катцем. По его мнению, в процессе кипячения вода из «жесткой» превращается в «мягкую».

Часть веществ, такие как магний и бикарбонат кальция, при нагревании оседают и не мешают кристаллизации. Поэтому процесс замерзания кипятка идет в разы быстрее обычной.

Как применяется этот парадокс в реальной жизни?

Эффект с успехом реализуется людьми в повседневной жизни и в быту. Например, каток заливают именно горячей, а не холодной водой для ускорения замерзания поверхности. По такому же принципу готовятся зимние горки.

Используется непонятное явление и в промышленном производстве. Благодаря ему сокращено время заморозки некоторых продуктов и материалов, в составе которых присутствует вода.

Видео по теме статьи

Почему кипяток замерзает быстрее холодной воды, подскажет видео:

Заключение

Эффект Мпемба интересен, поэтому его продолжают изучать. Исследования ведутся сразу в нескольких направлениях. Ученые обязательно выяснят причину необъяснимого парадокса и позволят людям расширить возможности его использования.

Источник

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

Вы можете написать и разместить на портале статью.

Мифы о замерзании и кипении воды. что замерзает быстрее горячая или холодная вода?

Одним из моих самых любимых предметов в школе была химия. Как-то раз преподаватель химии дал нам очень странное и тяжелое задание. Он дал нам список вопросов, на которые мы должны были ответить с точки зрения химии. На это задание нам дали несколько дней и разрешили пользоваться библиотеками и другими доступными источниками информации. Один из этих вопросов касался температуры замерзания воды. Я точно не помню, как звучал вопрос, но речь шла о том, что если взять два деревянных ведра одинакового размера, одно с горячей водой, другое с холодной (с точно указанной температурой), и поместить их в среду с определенной температурой, какое из них замерзнет быстрее? Конечно сразу же напрашивался ответ – ведро с холодной водой, но нам показалось это слишком просто. Но этого было недостаточно, чтобы дать полный ответ, нам нужно было доказать это с химической точки зрения. Несмотря на все мои размышления и исследования, я не смог сделать логического вывода. В этот день я даже решил пропустить этот урок, поэтому я так и не узнал решение этой загадки.

Прошли годы, и я узнал много бытовых мифов про температуру кипения и замерзания воды, и один миф гласил: «горячая вода замерзает быстрее». Я просмотрел множество веб сайтов, но информация была слишком противоречивой. И это были всего лишь мнения, необоснованные с точки зрения науки. И я решился провести собственный опыт. Поскольку мне не удалось найти деревянные ведра, я использовал морозильную камеру, плиту, немного воды и цифровой термометр. О результатах моего опыта я расскажу немного позже. Вначале я поделюсь с вами некоторыми интересными доводами по поводу воды:

• Горячая вода замерзает быстрее холодной. Большинство экспертов утверждают, что холодная вода замерзнет быстрее, чем горячая. Но одно забавное явлений (так называемый эффект Мемба), по непонятным причинам, доказывает обратное: Горячая вода замерзает быстрее холодной. Одним из нескольких объяснений является процесс испарения: если очень горячую воду поместить в холодную среду, то вода начнет испаряться (оставшееся количество воды замерзнет быстрее). И согласно законам химии это совсем не миф, и вероятнее всего именно это преподаватель хотел от нас услышать.

• Кипяченая вода замерзает быстрее водопроводной воды. Несмотря на предыдущее объяснение, некоторые эксперты утверждают, что кипяченая вода, остывшая до комнатной температуры, должна замерзнуть быстрее, потому что в результате кипения сокращается количество кислорода.

• Холодная вода закипает быстрее горячей воды. Если горячая вода замерзает быстрее, то, возможно, холодная вода быстрее закипает! Это противоречит здравому смыслу и ученые утверждают, что этого просто не может быть. Горячая вода с крана на самом деле должна закипать быстрее, чем холодная. Но, используя горячую воду для кипячения, вы не экономите энергию. Возможно вы и потратите меньше газа или света, но водонагреватель будет использовать то же количество энергии, которое необходимо для нагревания холодной воды. (С солнечной энергией дело обстоит немного иначе). В результате нагревания воды водонагревателем, может появиться осадок, поэтому вода будет нагреваться дольше.

• Если в воду добавить соль, она закипит быстрее. Соль увеличивает температуру кипения (и соответственно понижает температуру замерзания – вот почему некоторые хозяйки добавляют в мороженное немного каменной соли). Но нас в данном случае интересует другой вопрос: как долго вода будет закипать и может ли температура кипения в этом случае подняться выше 100°C). Несмотря на то, что пишут в кулинарных книгах, ученые утверждают, что количество соли, которое мы добавляем в кипящую воду, недостаточно для того, чтобы повлиять на время или температуру кипения.

Но вот что получилось у меня:

Холодная вода: я использовал три стеклянных стакана по 100 мл очищенной воды: один стакан с комнатной температурой (72°F/22°C), один — с горячей водой (115°F/46°C), и один с кипяченой (212°F/100°C). Все три стакана я поместил в морозильную камеру при температуре –18°C. И поскольку я знал, что вода не сразу превратиться в лед, степень замораживания я определял по «деревянному поплавку». Когда палочка, помещенная в центр стакана, больше не касалась основания, я считал, что вода замерзла. Стаканы я проверял каждые пять минут. И каковы мои результаты? Вода в первом стакане замерзла через 50 минут. Горячая вода замерзла через 80 минут. Кипяченая – через 95 минут. Мои выводы: учитывая условия в морозильной камере и воду, которую я использовал, мне не удалось воспроизвести эффект Мемба.

Я также пробовал провести такой опыт с ранее кипяченой водой, остывшей до комнатной температуры. Она замерзла через 60 минут — все равно понадобилось больше времени, чем для замерзания холодной воды.

Кипяченная вода: я взял литр воды при комнатной температуре и поставил ее на огонь. Она закипела за 6 минут. Затем я снова ее охладил до комнатной температуры и добавил в ее в горячую. При таком же огне, горячая вода закипела за 4 часа и 30 минут. Вывод: как и ожидалось, горячая вода закипает значительно быстрее.

Кипяченная вода (с солью): я добавил 2 большие ложки столовой соли на 1 литр воды. Она закипела через 6 минут 33 секунды, и как показал термометр достигла температуры 102°C. Несомненно соль влияет на температуру кипения, но не сильно. Вывод: соль в воде не силбно влияет на температуру и время кипения. Я честно признаю, что мою кухну тяжело назвать лабораторией, и возможно мои выводы противоречат действительности. Моя морозильная камера может неравномерно замораживать продукты. Мои стеклянные стаканы могли быть неправильной формы, И т.д. Но что бы не получилось в лабораторных условиях, когда речь идет о замораживании или кипячении воды на кухни, самое главное – это здравый смысл.

ссылочка с занимательными фактами о водевсе о воде
как подсказали на форуме forum.ixbt.com этот эффект (эффект замерзания горячей воды быстрее чем холодной) называется «эффект Аристотеля-Мпембы»

Т.е. быстрее замерзает кипяченая вода (охлажденная) нежели «сырая»

Источник