Ефект Мпемби - загадка охолодження та замерзання води

 

 

Відомі чисельні цікаві, можна навіть сказати, аномальні властивості води. Серед них висока теплоємність, не монотонно змінна густина з зміною температури, великий поверхневий натяг, здатність до самоорганізації.

Сьогодні ми познайомимося ще з однією цікавою особливістю води. Що замерзає швидше, холодна або гаряча вода? За логікою речей відповідь очевидна. Повинна замерзнути раніше холодна вода, тому що гаряча повинна ще остигнути до температури холодної. Але ні, насправді раніше може замерзнути гаряча вода. Цей феномен відомий як ефект Мпемби.

Ефект Мпемби (парадокс Мпемби) — парадокс, який свідчить, що гаряча вода при деяких умовах замерзає швидше, ніж холодна, хоча при цьому вона повинна пройти температуру холодної води в процесі замерзання. Цей парадокс є експериментальним фактом, що суперечить звичайним уявленням, згідно з якими при одних і тих же умовах більш нагрітого тіла для охолодження до деякої температури потрібно більше часу, ніж менш нагрітому тілу для охолодження до тієї ж температури.

 Історична довідка

Цей феномен згадували свого часу Арістотель, Френсис Бэкон і Рене Декарт, проте лише в 1963 році на нього звернули увагу професори фізики і спробували досліджувати. Все розпочалося з того, що танзанійський школяр Эрасто Мпемба помітив, що підсолоджене молоко, яке він використав для приготування морозива, застигає швидше, якщо воно було заздалегідь нагріте і він висунув припущення, що гаряча вода замерзає швидше, ніж холодна. Учень звернувся за роз'ясненнями до вчителя фізики, але той лише посміявся над учнем. На щастя, одного разу в школі побував Деннис Осборн, професор фізики з університету Дар-эс-Салама. І Мпемба звернувся до нього з тим же питанням. Професор був налагоджений менш скептично, сказав, що він не може судити про те, чого ніколи не бачив, і після повернення додому попросив співробітників провести відповідні експерименти. Схоже, вони підтвердили слова хлопчика. В усякому разі, в 1969 році Осборн розповів про роботу з Мпемба в журналі "Physics Education". У тому ж році Джордж Келл з канадської Національної дослідницької ради опублікував статтю з описом явища.

Також цей парадокс досліджував у 1995 році німецький фізик Давид Ауербах, він вивчав вплив переохолодження води на цей ефект. Він виявив, що гаряча вода, досягаючи переохолодженого стану, замерзає при більш високій температурі, ніж холодна, а значить швидше останньої. Зате холодна вода досягає переохолодженого стану швидше гарячої, компенсуючи тим самим попереднє відставання. Результати Ауербаха суперечили отриманими раніше даними, що гаряча вода здатна досягти більшого переохолодження через меншу кількість центрів кристалізації. Як відомо, при нагріванні води з неї видаляються розчинені в ній гази, а при її кип'ятінні випадає в осад деякі розчинені в ній солі. Тож детальніше розглянемо пояснення цього ефекту.

Гіпотези виникнення ефекту

Ефект досі не пояснений повністю, але в літературі існує декілька гіпотез щодо його пояснення. Давайте познайомимся з ними.

1)    Гіпотеза, що пояснює ефект випаровуванням

Гаряча вода швидше випаровується з контейнера, зменшуючи тим самим свій об'єм, а менший об'єм води з тією ж температурою замерзає швидше. Нагріта до 100°С вода втрачає близько 16% своєї маси при охолодженні до 0°С. Ефект випаровування – подвійний ефект. По-перше, зменшується маса води, яка необхідна для охолодження. І по-друге, знижується температура через те, що зменшується теплота випаровування переходу з фази води в фазу пару.

2)    Гіпотеза, яка пояснює ефект на основі різниці температур

Через те, що різниця температур між гарячою водою і холодним повітрям більше - отже теплообмін в цьому випадку йде інтенсивніше і гаряча вода швидше охолоджується.

3)    Гіпотеза на основі ефекту переохолодження

Коли вода охолоджується нижче 0°С, вона не завжди замерзає. При деяких умовах вона може зазнати переохолодження, продовжуючи залишатися рідкою при температурах нижче температури точки замерзання. У деяких випадках вода може залишатися рідкою навіть при температурі до -20°С. Причина цього ефекту в тому, що для того, щоб почали формуватися перші кристали льоду потрібні центри кристалоутворення. Якщо їх немає в рідкій воді, тоді переохолодження буде тривати до тих пір, поки температура не знизиться настільки, що кристали почнуть формуватися спонтанно. Коли вони почнуть формуватися в переохолодженої рідини, вони почнуть рости швидше, формуючи льодову шугу, яка замерзаючи, буде утворювати лід. Гаряча вода найбільше піддається переохолодженню оскільки її нагрівання усуває розчинені гази і бульбашки, які в свою чергу, можуть служити центрами утворення кристалів льоду. Чому ж переохолодження змушує гарячу воду застигати швидше? У випадку з холодною водою тонкий шар льоду буде утворюватися на поверхні посудини. Цей шар льоду буде діяти як ізолятор між водою і холодним повітрям і буде перешкоджати подальшому випаровуванню. Швидкість формування кристалів льоду в цьому разі буде менше. У випадку з гарячою водою, яка піддається переохолодженню, перехолоджена вода не має захисного поверхневого шару льоду. Тому вона втрачає тепло набагато швидше через відкритий верх.

Коли процес переохолодження закінчується і вода замерзає, втрачається набагато більше тепла і тому формується більше льоду. Багато дослідників цього ефекту вважають переохолодження головним чинником у випадку з ефектом Мпемба.

4)Гіпотеза на основі явища конвекції

Холодна вода починає замерзати зверху, погіршуючи тим самим процеси тепловипромінювання і конвекції, а значить і втрат тепла, тоді як гаряча вода починає замерзати знизу.

Пояснюється цей ефект аномалією густини води. Вода має максимальну густину при 4^о С. Якщо охолодити воду до 3^о С і взяти її при більш низькій температурі, поверхневий шар води швидше замерзне. Тому що ця вода менш щільна, ніж вода при температурі 4^о С, вона залишиться на поверхні, формуючи тонкий холодний шар. При цих умовах тонкий шар льоду буде формуватися на поверхні води протягом короткого часу, але цей шар льоду буде служити ізолятором, що захищає нижні шари води, які будуть залишатися при температурі 4^о С. Тому подальший процес охолодження буде проходити повільніше.

 У випадку з гарячою водою ситуація зовсім інша. Поверхневий шар води буде охолоджуватися більш швидше за рахунок випаровування і більшої різниці температур. Крім того, холодний шари води більш щільні, ніж шари гарячої води, тому шар холодної води буде опускатися вниз, піднімаючи шар теплої води на поверхню. Така циркуляція води забезпечує швидке падіння температури. Але чому цей процес не досягає точки рівноваги? Для пояснення ефекту Мпемби з цієї точки зору конвекції варто було б прийняти, що холодні і гарячі шари води розділені і сам процес конвекції продовжується після того, як середня температура води опуститься нижче 4^о С. Однак, немає експериментальних даних, які підтверджували б цю гіпотезу, що холодні і гарячі шари води розділені в процесі конвекції.

5)Гіпотеза на основі розчинених у воді домішок

Вода завжди містить розчинені в ній гази – кисень і вуглекислий газ. Ці гази мають здатність зменшувати точку замерзання води. Коли вода нагріта, ці гази виділяються з води, оскільки їх розчинність у воді при високій температурі нижче. Тому коли гаряча вода охолоджується, в ній завжди менше розчинених газів, ніж у не нагрітої холодній воді. Тому точка замерзання нагрітої води вище і вона замерзає швидше. Цей фактор іноді розглядається як головний при поясненні ефекту Мпемби, хоча ніяких експериментальних даних, що підтверджують цей факт немає.

6)Гіпотеза, що пояснює на основі теплопровідності

Помічено, що контейнер з гарячою водою протаює під собою лід морозильної камери, покращуючи тим самим тепловий контакт зі стінкою морозилки і теплопровідність. В результаті чого, тепло відводиться від контейнера з гарячою водою швидше, ніж від холодного. У свою чергу контейнер з холодною водою не протаює під собою сніг.          Всі ці (а також інші) умови вивчалися у багатьох експериментах, але однозначної відповіді на питання - які з них забезпечують стовідсоткове відтворення ефекту Мпемби - так і не було отримано.

7)         Гіпотеза, що дає пояснення на основі МКТ

В початковий момент часу температура гарячої води більше, ніж холодної, отже, середня кінетична енергія молекул гарячої води більше. Значить, теплообмін між шарами рідини біля гарячої води відбувається більш інтенсивно. Таким чином, деякий проміжок часу теплообмін між рідиною й повітрям і між шарами рідини відбувається більш інтенсивно в гарячій воді, і деякий час, температура гарячої води знижується швидше, ніж холодної. Поступово інтенсивність теплообміну між рідиною й повітрям і між шарами рідини зменшується.

 

Загальні висновки

Отже, ефект швидшого замерзання гарячої води з одного боку відомий давно (з праць Аристотеля, Бекона, Декарта), а з іншого боку – почав досліджуватися тільки в ХХ столітті завдяки танзанійському хлопчику Мпембі. В літературі він описаний мало, а статті про нього переважно на англійській мові. Існує декілька гіпотез щодо його прояву, але остаточної теорії щодо його пояснення поки не знайдено.

Було виявлено, що ефект Мпемби залежить від багатьох факторів. Чим більша різниця температур, чим тонша посудина та чим більша площа поверхні випаровування, тим ефект помітніший, крім того, вода не повинна бути дистильована, а містити домішки. Наприклад, при поривах труб взимку за зовнішнім видом бурульок досвідчені робітники можуть впевнено сказати, якою була вода – гарячою чи холодною.

Як кожне явище, ефект Мпемби може бути як бажаним так і ні. Наприклад, зрозуміло, чому рекомендують заливати дворову ковзанку гарячою водою – це прояв бажаного ефекту  Мпемби (гаряча вода на великій поверхні замерзає швидше, лід внаслідок цього більш міцний та гладкий навіть без можливості застосувати шліфувальну машину). А тормозну рідину рекомендують заливати при температурі, найближчій до температури експлуатації для попередження її замерзання – прояв небажаного ефекту Мпемби.

Домашнє завдання

1. Придумати інші приклади ефекту Мпемби, вказати корисні вони чи шкідливі.

2.    Проаналізувати, які ще фактори можуть впливати на явище.

3.  Як можна ще експериментально перевірити цей ефект?

Список джерел, де можна прочитати про це докладніше

1."Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, in American Journal of Physics, Vol. 63, No. 10, pp 882-885; Oct, 1995.

2. "The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water", Charles A. Knight, in American Journal of Physics, Vol. 64, No. 5, p 524; May, 1996.

3."Really Weird Things About Water" / http://www.neatorama.com.
4."Тайна воды: создана теория эффекта Аристотеля-Мпембы http://www.o8ode.ru.

5. http://science.ua/2010/03/30/mpemba-effect-why-hot-water-can-freeze-faster-than-cold/

6. http://www.chemport.ru/datenews.php?news=3358

7. Филип Болл «Глядя в замёрзшую воду»// Physics World. - Апрель 2005г.

8. Эффект Мпембы// http://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect .

 9. Парадокс Мпембы// http://wsyachina.narod.ru/physics/mpemba.html