eponim2008 (eponim2008) wrote,
eponim2008
eponim2008

Categories:

Почему горячая вода замерзает быстрее? Эффект Мпембы

Альберт Эйнштейн сказал: "Если вы не можете объяснить пятилетнему ребенку свою мысль, значит, вы сами ее не очень-то понимаете". Ответы на наивные детские вопросы иной раз совсем не так просты, как это может показаться на первый взгляд.

Например, вопрос о том, почему чайник шумит при закипании, приводит, в конце концов, к такой серьезной инженерной проблеме, как кавитация. Уменьшение кавитации, происходящей на винтах судов или на лопатках турбин, повышает срок службы этих устройств и делает их работу эффективной. С другой стороны, в некоторых случаях кавитацию стараются повысить, например, при ультразвуковой чистке деталей или при разбивании камней в почках. Или при ультразвуковом же растворении жира в теле, что является мечтой едва ли не каждой женщины.

«Детские» вопросы хороши еще тем, что заражают серьезных ученых микробом любопытства. Любопытство – одна из причин, побуждающих их к научной деятельности. Любопытство – фермент, оживляющий бег мысли. Без любопытства господин профессор превращается в бронзовый памятник, с любопытством – бегает непослушным мальчишкой, смеется и щупает то, что, казалось бы, трогать руками строго запрещено.  Иногда такое поведение может привести к открытию, иногда – нет. Но всегда прививка любопытства ужасно приятна господину профессору.

Это событие произошло давным-давно, в 1963 году, в далекой африканской стране Танганьике, которая через год объединилась с Занзибаром и стала называться Танзанией. Школьник Эрасто Мпеба выполнял задание по кулинарии (были в их школе такие уроки). Надо было приготовить молочное мороженное: смешать на огне молоко, воду и сахар, остудить и поставить в холодильник, чтобы получить ледышку. Один из стаканчиков с приготовленной смесью Мпеба поставил в холодильник не охладив, как следует. К его удивлению, именно этот стаканчик замерз и превратился в мороженное первым. Горячая жидкость остыла быстрее холодной? Это кажется невероятным! Строго говоря, это нарушение фундаментального закона термодинамики за номером 1!


Не удивительно, что учитель физики, которому Эрасто рассказал о своем парадоксальном эксперименте, поднял его на смех. Но школьник был упрям и памятлив. Когда в их школу пригласили из столичного университета профессора физики Дениса Осборна (Denis G. Osborne), чтобы он прочитал лекцию школьникам, мальчик рассказал преподавателю о своем нетривиальном эксперименте.

Осборну самому стало любопытно. Вернувшись в университет, он поставил несколько экспериментов и обнаружил, что Эрасто Мпеба прав. Горячая вода замерзала быстрее холодной. Результаты своих исследований он опубликовал в 1969 году. Автором статьи был также Эрасто Мпеба, который тогда уже учился в одном из местных колледжей.

В жаркой Африке никто не заливал зимой дворовых катков для юных конькобежцев и хоккеистов. Потому и не знали здесь о маленькой хитрости, известной в далекой России. Каток надо заливать горячей водой: быстрее застынет. Еще одно проявление «эффекта Мпембы»!

Так танзанийский школьник стал известен еще до того, как закончил школу. Ученые же физики продолжали исследовать странное поведение горячей воды при нагревании. И продолжают. Дело в том, что до сих пор нет объяснения эффекта Мпембы, которое удовлетворило бы всех ученых.

Простая на вид задача оказалась недостаточно четко сформулированной. Во-первых, что такое «точка замерзания»? Во-вторых, можно ли сказать, что холодная и горячая вода отличаются только начальной температурой? Может быть, есть и другие физические отличия, которые коррелируют с температурой воды и которые как раз и определяют, какая из жидкостей, горячая или холодная, застынет быстрее?

В общем, сейчас существует несколько объяснений странного поведения нагретой воды при замерзании.

1. Например, горячая вода испаряется интенсивнее, чем холодная. Испаряющаяся вода в холодном воздухе превращается в мелкие кристаллики льда, которые падают в сосуд с водой и, по мере охлаждения воды, становятся зародышами будущих льдинок.

2. Или же испарение горячей воды уменьшает общий объем воды в сосуде. Меньшее количество воды остывает быстрее.

3. Еще одно объяснение опирается на то, что в горячей воде меньше центров последующей кристаллизации, воздушных пузырьков или пылинок. В результате этого горячая вода при охлаждении некоторое время не замерзает, переохлаждается, а затем застывает очень быстро, почти мгновенно.

4. В горячей воде расстояние между молекулами становится больше, поскольку кинетическая энергия каждой молекулы вырастает. В результате этого и потенциальная же энергия связи между двумя молекулами тоже возрастает. При охлаждении воды, когда молекулы сближаются, запасенная энергия высвобождается и выделяется в пространство, вызывая дополнительное охлаждение.

5. И точка зрения прямо противоположная. По мере нагревания связи между молекулами воды ослабевают, и они занимают позиции, более близкие к тем, в которых находятся, когда образуются кристаллы льда. Когда температура воды достигает точки кристаллизации, дополнительной энергии на разрыв прежних связей уже не требуется и лед образуется быстрее. Если же до температуры кристаллизации остывает холодная вода, требуется некоторое время и некоторая энергия для того, чтобы разорвать прежние связи.

6. Наконец, есть и такое мнение: эффект Мпембы – псевдоэффект. Если провести эксперимент так, чтобы устранить все посторонние влияния (одинаковые объемы воды, один ее химический и физический состав, одинаковые материалы сосудов, в которых происходит охлаждение, специальный холодильник) более горячая вода будет застывать позже, чем более холодная. Первое начало термодинамики спасено! Ура!

А что же наиболее интересно в эффекте Мпембы для нас? Да то, что любопытство – движущая сила любого знания. А также то, что не следует стесняться задавать «детские» вопросы, на которые, бывает, и умные ученые не смогут дать однозначного и простого ответа. Поскольку, по словам Эйнштейна, с которых начинается эта статья, и сами недостаточно четко понимают природу некоторых, казалось бы, простых вещества. Как, например, обычная вода.



  1. Три парадокса Мпембы, или Заблудившийся паяц

  2. Эффект Мпембы в Википедии.

  3. Эффект Мпембы или почему горячая вода замерзает быстрее холодной

  4. Объяснение эффекта Мпембы

  5. Why You Should Use Boiling Water to Fill Ice Cube Trays

  6. Эффект Мпембы

  7. A search for the Mpemba effect: When hot water freezes faster then cold water

  8. История одного открытия

  9. Над какой загадкой бьются ученые со времен Аристотеля?

  10. Can hot water freeze faster than cold water?

  11. Why Hot Water Freezes Faster Than Cold—Physicists Solve the Mpemba Effect

Tags: Э.Мпемба, физика, школа жизни, эффект
Subscribe

Posts from This Journal “физика” Tag

promo eponim2008 september 21, 12:37 3
Buy for 10 tokens
Женщинам дозволено кокетство. Скрывать свой возраст у прелестных дам стало общепринятой причудой. Даже если и скрывать особенно нечего. Потому я в начале моего рассказа тоже пококетничаю немного и своего возраста сразу не назову. Скажу только, что нахожусь я на том отрезке женской жизни,…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments