• Эффект Мпембы: почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?.Вокруг Света. Украина
    Фото: Depositphotos
    Наука
    Четверг, 21 января 2021

    Эффект Мпембы: почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная?

    Школьник из Танганьики 60 лет назад заметил, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее, чем холодная. Физики до сих пор ломают голову над объяснением этого эффекта.

    Открытие эффекта

    В 1963 году школьник из Танганьики (ныне Танзания) Эрасто Мпемба подрабатывал продажей домашнего мороженого. Он заметил, что горячая смесь, приготовленная для мороженого и помещенная в морозильник, замерзает быстрее, чем холодная.

    Подросток обратился за разъяснениями к учителю физики, но тот лишь посмеялся над учеником, не поверив в его наблюдения.

    Будь у Мпембы характер послабее, это могло бы «закрыть» открытый им эффект. Но школьник не спасовал и задал тот же вопрос лектору на на открытой лекции по физике. Это был профессор Денис Осборн из университета Дар-эс-Салама. Осборн заинтересовался вопросом юноши и решил все проверить экспериментально. Вероятно, ему, в отличие от учителя Мпембы, было известно, что способность горячей воды остывать быстрее описывали еще Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт.

    Быстрое остывание на начальном этапе можно было объяснить большей скоростью испарения и излучения тепла. Но это не объясняло быстроты последующего замораживания. Иными словами, вопрос о том, верно ли наблюдение Мпембы, распадался, как минимум, на три.

    Во-первых, есть ли эффект в принципе: то есть, охлаждается ли вода с температурой (X+N)0C до 00C быстрее, чем вода с температурой X0C, и каковы должны быть значения X и N, чтобы эффект уверенно регистрировался?  Во-вторых, до какой температуры Y0С в процессе охлаждения бывшая горячая вода охлаждается быстрее холодного образца? В-третьих, есть ли разница в скорости замерзания образцов воды, уже охлажденных до 00С при разных стартовых температурах? К слову, смесь для мороженого, на которой Мпемба впервые заметил свой эффект, и вода, вообще говоря, могут по-разному вести себя при замораживании.

    Первая экспериментальная проверка, проведенная совместно Осборном и Мпембой, в общих чертах подтвердила наличие эффекта, то есть ответила на первый вопрос. Условия эксперимента были такими: 70 мл воды в 100-миллилитровых лабораторных стаканчиках на пенопластовых листах помещались в морозильную камеру бытового холодильника. Чаще всего эффект наблюдался, когда один образец имел начальную температуру 25 °C, а другой 90 °C. Осборн и Мпемба также утверждали, что исключили влияние скорости испарения жидкости и растворенных в воде газов, которые не оказали на эффект существенного влияния.

    В 1969 году в журнале «Physics Education» 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».

    Трудности воспроизведения эксперимента

    Однако причины эффекта, при исключении влияния испарения и газовыделения, остались необъясненными.  Объяснить его быстрым испарением и газовыделением было возможно -в принципе, но экспериментальные результаты не очень убедительно совпадали с теоретическими расчетами  влияния этих эффектов.

    Более того, при попытках повторить эксперимент Осборна и Мпембы, их результаты воспроизводились далеко не всегда.

    Корректная же постановка такого опыта была намного сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Чтобы исключить влияние разного испарения и газовыделения у образцов разной температуры, замораживание нужно проводить в закрытых сосудах без воздушной прослойки. Но в этом случае возникали эффекты, связанные с изменением объема воды при изменении температуры. Лучшим вариантом, вероятно, были бы эластичные сферы, наполненные водой без пузырьков воздуха, с термопарой, непрерывно измеряющей температуру жидкости внутри них. Другим возможным вариантом был расчет влияния испарения и газовыделения на скорость охлаждения при разных температурах жидкости — который, как уже сказано, оставлял вопрос о причинах эффекта Мпембы открытым.

    Отдельной сложностью была проблема точного измерения момента замерзания воды.

    Словом, чистая постановка эксперимента для ответа на вопрос «какая вода замерзает быстрее, горячая или холодная, и почему это происходит» оказалась на практике очень непростым делом.

    Впрочем, кое-что удалось выяснить. Как оказалось, на успех эксперимента сильно влияют условия охлаждения. При быстром отводе тепла из морозильной камеры эффект Мпембы проявлялся отчетливее. Но в целом вопрос о том, почему горячая вода замерзает быстрее, не закрыт окончательно и по сей день.

    Два возможных объяснения

    Попытки построить теоретическую модель эффекта Мпембы привели к двум возможным объяснениям. Но из-за трудностей в постановке чистого эксперимента, ни одно из них нельзя пока считать подтвержденным экспериментально.

    Первое объяснение опирается на то, что вода состоит не из отдельных молекул H2O, а из молекул, собранных в короткоживущие кластеры, в которых их удерживают водородные связи, примерно в 20 раз более слабые, чем обычные ковалентные. Сила этих связей сильно зависит от взаимного расположения молекул в кластере, и кластеры, близкие к структуре льда, вообще говоря, устойчивее.

    По мере нагревания и увеличения броуновского движения влияние водородных связей ослабевает. Как показало моделирование, при быстром охлаждении горячей воды молекулы в кластерах меняют положение, занимая позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда. Иными словами, в воде, еще при температуре выше 00C возникает «протолед». В холодной воде все происходит точно так же, но энергии броуновского движения на разрыв водородных связей там имеется меньше, и структуризация, способствующая «предзамерзанию», а, следовательно, и замерзание, должны проходить медленнее.

    Эта идея «в целом» была предложена в 2013 году группой физиков из США и Китая, а в 2017 в Journal of Chemical Theory and Computation вышла статья, в которой теория процесса была разработана более подробно.

    Правда, в этой теории есть одна практическая деталь, немного портящая всю картину. Такой эффект может наблюдаться только при очень быстром охлаждении. И тут возникают сомнения в том, что Осборн и Мпемба могли в то время и в том месте располагать морозильной камерой достаточной мощности.

    Второе объяснение дала в 2017-2019 годах группа ученых из США и Израиля, смоделировав остывание системы в рамках марковской динамики, и найдя особенные точки, в которых сброс тепла горячей системой, помещенной в неравновесные условия — и, опять-таки, с большим температурным градиентом, значительно ускоряется.

    В финальной статье, опубликованной в Physical Review X, было теоретически обосновано два эффекта Мпембы: «слабый» (в целом, более или менее в рамках первого объяснения) и «сильный», предсказано проявление эффекта Мпембы не только на воде, но и на других веществах, а также «обратный эффект Мпембы» — быстрое нагревание более холодного образца в неравновесных условиях в горячей среде.

    Читайте также:

    20 удивительных фактов о воде

    Вода имеет два жидких состояния