Яка вода швидше замерзає: гаряча або холодна? Від чого це залежить

На те, яка вода швидше замерзає, гаряча або холодна, впливає безліч факторів, але сам по собі питання здається трохи дивним. Мається на увазі, і це відомо з фізики, що гарячій воді ще потрібен час для того, щоб охолонути до температури порівнюєш холодної води, щоб перетворитися в лід. Холодній воді цей етап можна пропустити, а, відповідно, за часом вона виграє. Але відповідь на питання про те, яка вода замерзає швидше - холодна або гаряча - на вулиці в мороз, знає будь-який житель північних широт. По суті, по-науковому, виходить, що в будь-якому випадку холодна вода просто зобов`язана замерзнути швидше.

Так само подумав і вчитель фізики, до якого звернувся школяр Ераста Мпемби в 1963 році з проханням пояснити, чому холодна суміш майбутнього морозива замерзає довше, ніж аналогічна, але гаряча.

"Це не всесвітня фізика, а якась фізика Мпемби"

Того разу вчитель тільки посміявся над цим, але Дениссена Осборн, професор фізики, який свого часу заїхав в ту ж школу, де навчався Ераста, експериментально підтвердив наявність такого ефекту, хоча і пояснення тоді цього не знайшлося. У 1969 році в популярному науковому журналі вийшла спільна стаття цих двох людей, які описали цей своєрідний ефект. З тих пір, до речі, питання про те, яка вода швидше замерзає - гаряча або холодна, має власну назву - ефект, або ж парадокс, Мпемби.

Відео: Моментальне замерзання води

Питання виникало давно

Природно, що і раніше такий феномен мав місце бути, і він був згаданий в роботах інших вчених. Не тільки школяр цікавився цим питанням, але і свого часу про це думав Френсіс Бекон, Рене Декарт і навіть Аристотель. Ось тільки підходи до вирішення даного парадоксу приступили шукати тільки в кінці двадцятого століття.

Умови для того, щоб стався парадокс

Як і у випадку з морозивом, не просто звичайна вода замерзає в процесі експерименту. Повинні бути присутніми певні умови для того, щоб почати сперечатися, яка вода замерзає швидше - холодна або гаряча. Що впливає на перебіг даного процесу?

Відео: Що відбувається з окропом при морозі - 41.mp4

Зараз, в 21 столітті, висунуто кілька варіантів, які можуть пояснити даний феномен. Те, яка вода замерзає швидше, гаряча або холодна, може залежати від того, що у гарячої води є більша, ніж у холоді, швидкість випаровування. Таким чином, зменшується її обсяг, а при зменшенні обсягу і час замерзання стає менше, ніж якщо взяти аналогічний початковий обсяг холодної води.

Давно розморожували морозилку

На те, яка вода замерзає швидше, і чому це відбувається, може вплинути снігова підкладка, яка може мати місце в морозилці холодильника, використовуваного для експерименту. Якщо взяти два контейнери, ідентичних за обсягом, але в одному з них буде гаряча вода, а в іншому - холодна, контейнер з гарячою водою розплавить під собою сніг, тим самим покращуючи контакт теплового рівня зі стінкою холодильника. Контейнер з холодною водою такого зробити не може. Якщо ж такої підкладки зі снігом в холодильній камері немає, холодна вода повинна замерзнути швидше.

Верх - внизу

Також явище того, яка вода швидше замерзає - гаряча або холодна, пояснюється наступним чином. Слідуючи певним законам, холодна вода замерзати починає з верхніх шарів, коли гаряча робить це навпаки - починає замерзати від низу до верху. При цьому виходить, що холодна вода, маючи зверху холодну прошарок з уже місцями утворився льодом, погіршує собі таким чином процеси конвекції і теплового випромінювання, тим самим пояснюється, яка вода замерзає швидше - холодна або гаряча. Фото з аматорських експериментів додається, і тут це чітко видно.

Тепло виходить назовні, прагнучи вгору, а там зустрічається з дуже охолодженим шаром. Вільного шляху для теплоизлучения немає, тому процес охолодження стає скрутним. Таких перешкод на своєму шляху абсолютно не має гаряча вода. Яка замерзає швидше - холодна або гаряча, від чого залежить ймовірний вихід, можна розширити відповідь тим, що будь-яка вода має певні речовини, розчинені в ній.

Домішки в складі води як фактор, що впливає на результат

Якщо не шахраювати і використовувати воду з однаковим складом, де концентрації певних речовин є ідентичними, то холодна вода повинна замерзнути швидше. Але якщо ж відбувається ситуація, коли розчинені хімічні елементи в наявності тільки в гарячій воді, а холодна вода при цьому ними не володіє, тоді є можливість у гарячої води замерзнути раніше. Пояснюється це тим, що розчинені речовини в воді створюють центри кристалізації, і при малій кількості цих центрів перетворення води в тверде стан утруднено. Можливо навіть переохолодження води, в тому плані, що при мінусовій температурі вона буде перебувати в рідкому стані.

Але всі ці версії, видно, не до кінця влаштовували вчених і вони продовжували працювати над цим питанням. У 2013 році команда дослідників в Сінгапурі заявила, що їм вдалося розгадати вікову загадку. Група з китайських вчених стверджує, що секрет цього ефекту полягає в кількості енергії, яка запасена між молекулами води в її зв`язках, іменованих водневими.

Розгадка від китайських вчених

Далі піде інформація, для розуміння якої необхідно мати деякі знання в хімії, щоб розібратися в тому, яка вода замерзає швидше - гаряча або холодна. Як відомо, молекула води складається з двох атомів Н (водню) і одного атома О (кисню), утримуваних між собою ковалентними зв`язками.

Але також атоми водню однієї молекули притягуються і до сусідніх молекул, до їх кисневої складової. Саме такі зв`язки називаються водневими.

При цьому варто пам`ятати, що в той же час молекули води діють один на одного відразливе. Вчені відзначили, що при нагріванні води між її молекулами збільшується відстань, і цьому сприяють як раз відразливі сили. Виходить так, що водневі зв`язки, займаючи одне відстань між молекулами в холодному стані, можна сказати, розтягуються, і у них з`являється більший запас енергії. Саме цей запас енергії вивільняється, коли молекули води починають зближуватися один з одним, тобто, відбувається охолодження. Виходить, що більший запас енергії в гарячій воді, і її більше вивільнення при охолодженні до мінусових температур, відбувається швидше, ніж в холодній воді, у якій запас такої енергії менше. То яка вода замерзає швидше - холодна або гаряча? На вулиці і в лабораторії повинен відбуватися парадокс Мпемби, і гаряча вода повинна перетворюватися в лід швидше.

Але питання все ще відкрите

Існує лише теоретичне підтвердження даної розгадки - все це написано красивими формулами і здається правдоподібним. Але ось коли дані експериментів, яка вода швидше замерзає - гаряча або холодна, будуть поставлені в практичному сенсі, і їх результати будуть представлені, тоді і можна буде вважати питання парадоксу Мпемби закритим.