Поворотным моментом в истории изучения замерзания воды стал эксперимент с мороженым.
С чего все началось?
В 1963 году старшеклассник Эрасто Мпемба из Танзании случайно обнаружил эффект, позднее названный в его честь. Рассказываем, как он к этому пришел. Школьники учились готовить мороженое (нам бы такие уроки!). Эрасто переживал, что ему не хватит места в морозильнике, поэтому поставил свою заготовку еще горячей. Одноклассники же наоборот дали смесям остыть и только после этого отправили их в морозилку. В итоге мороженое из теплого молока получилось быстрее, чем из охлажденного. Эрасто поспешил за объяснением к учителю физики, но тот только посмеялся над ним, сказав: “Это не всемирная физика, а физика Мпембы”.
Кто провел первые лабораторные эксперименты?
Мпемба не бросил попыток выяснить, в чем дело, и позднее обратился за помощью к физику Денису Осборну. Вместе они провели первые систематические научные исследования феномена – эффекта Мпембы. Им удалось воспроизвести результат, хотя опытный Осборн отметил, что для полного понимания происходящего нужно провести более сложные эксперименты. За прошедшие десятилетия многие ученые и лаборатории пытались раскрыть загадку эффекта Мпембы, но получали неоднозначные результаты.
Казалось бы, эффект легко проверить. Берем чашки с горячей и холодной водой, ставим их в морозилку и засекаем время. Аристотель, Рене Декарт и Фрэнсис Бэйкон замечали, что горячая вода замерзает быстрее. Даже современные водопроводчики утверждают, что зимой трубы с горячей водой лопаются чаще, чем трубы с холодной.
Результаты эксперимента с замораживанием двух образцов в разное время. Обнаружена разница в скорости замерзания.
Удалось ли другим ученым повторить эксперименты и получить “эффект Мпембы”?
Шло время, появлялись новые гипотезы, и ученые проверяли их в максимально контролируемых условиях. Некоторые из них обнаружили эффект, другие – нет. Почему? Дело в том, что замерзание воды – достаточно непредсказуемый процесс. Особенно когда речь идет о долях секунд и температур.
Начнем с базовой физики. Неважно, какая у воды стартовая температура. Чтобы превратиться в лед, вода сперва должна охладиться до нуля градусов. В процессе замерзания температура воды будет оставаться неизменной. Почему же тогда горячая вода в некоторых экспериментах замерзала быстрее холодной?
Эффект Мпебы зимой (эксперимент с замерзанием горячей воды на морозе)
Как пробовали объяснить “эффект Мпембы”?
Существует несколько гипотез.
Горячая вода быстрее испаряется, а значит в процессе охлаждения ее объем может сократиться – поэтому она быстрее замерзнет.
С другой стороны лед в морозильнике может играть роль изолятора. Холодной чашке он будет мешать быстро охладиться, а вокруг горячей растает: чашка коснется охлаждающих элементов морозильника и быстрее остынет.
Также роль могут сыграть газы. В холодной воде больше растворенных газов, чем в горячей, и это может сыграть роль при охлаждении.
А вот твердые примеси могут повлиять на само замерзание. Помните популярные видео с бутылкой жидкой воды, которая при ударе начинает затвердевать на глазах? Эту воду аккуратно охладили ниже температуры замерзания, и в ней не образовались центры кристаллизации. Возможно, в спокойных условиях холодной воде требуется сильнее сверхохладиться, чтобы запустилась кристаллизация?
Наконец, существует гипотеза о влиянии конвекции. Теоретически, горячая вода может быстрее охлаждаться, потому что в ней сильнее потоки теплообмена.
Это разумные предположения, но их можно исключить: использовать герметичные контейнеры, очистить морозильник ото льда, проверить содержание примесей и так далее. И даже с учетом этих факторов эффект Мпемба то подтверждается, то нет. Как же так? Дело в том, что слишком много факторов играют роль.
При исследовании эффекта Мпембы важно учитывать способ хранения воды, наличие примесей, положение термометра при замере.
Что произойдет, если провести максимально контролируемый эксперимент?
В 2016 году специалисты по динамике жидкостей инженер Генри Барридж, профессор Имперского колледжа Лондона, и математик Пол Линден из Кембриджского университета провели максимально контролируемое исследование эффекта Мпембы.
Они не нашли никаких свидетельств его существования, но не это главное. Самое существенное их открытие заключалось в том, что если буквально на сантиметр сместить положение термометра в емкости, не меняя никаких других условий, то небольшой эффект Мпембы появляется. Последующая проверка предыдущих исследований показала, что и там наблюдаемый эффект был в пределах погрешности.
Ученые продолжают экспериментировать?
Да, исследования продолжаются. Ученые ищут и изучают эффект Мпембы в различных веществах и условиях.
Подведем итог. Чисто физически у воды нет эффекта Мпембы, но в реальной жизни из-за твердых и газообразных примесей, материала, из которого сделаны емкости, особенностей морозильной камеры и многих других факторов горячая вода действительно может замерзать быстрее холодной.
Может быть интересно:
