Чому окроп замерзає швидше?

Багато хто цікавиться, яка вода замерзає швидше за холодну або гарячу, і чому відбувається саме так? Щоб відповісти на це питання, треба розглянути фізичні властивості води та деякі нюанси сучасних досліджень, що розширюють загальновідому картину. Яка вода швидше замерзає – ви дізнаєтесь у цій статті.

Як швидкість замерзання залежить від температури?

Швидкість замерзання води значною мірою залежить від її температури. Здавна відома закономірність: що холодніше вода, то швидше вона замерзає, що пов'язані з зміною молекулярного руху.

Вплив температури на замерзання води можна описати так:

1. У воді, нагрітій до високих температур, молекули рухаються швидко і певному відстані друг від друга. При зниженні температури рух молекул сповільнюється, а відстані між ними стають меншими, що зрештою призводить до утворення кристалічних ґрат — замерзання.

2. У холодній воді молекули рухаються повільно, а отже кристалічні грати утворюються швидше, тобто вода швидше замерзає.

Яка вода швидше замерзає: холодна чи гаряча

Незважаючи на загальновідому закономірність, питання про те, яка вода швидше замерзає, залишається відкритим. Це відбувається через так званий ефект Мпемби, який полягає в тому, що за деяких умов гаряча вода швидше замерзає через особливості тепловіддачі.

Коли нагріта до високих температур вода потрапляє у холод, тепло починає передаватися у середу. Сама ж вода охолоджується і замерзає навіть швидше, ніж холодна.

Чому тепла вода замерзає швидше: парадокс Мпемби

На початку 60-х допитливий танзанійський школяр Ерасто Мпемба помітив цікаву закономірність. Справа в тому, що молочна суміш для морозива, яку він ставив у морозильник, замерзала швидше, якщо спочатку була гарячою, а не холодною. Шкільний вчитель фізики не зміг відповісти на це питання, але професор Денніс Осборн зацікавився ним. Провели експерименти з водою, які підтвердили помічений ефект. (Під час експерименту два однакових зразка води, але з різною температурою 25°С і 90°С поміщалися в морозилку на пінопластових підставках).

Пізніше Мпемба з професором провели цілу низку експериментів, висвітливши результати у журналі Physics Education у 1969 році.

Охолодження рідини починається з її поверхні, тому швидкість залежить від температури верхньої рідини, а не середньої. Внаслідок конвекції, ця температура підтримується і швидкість охолодження системи з початковою високою температурою виявляється вищою, ніж системи з меншою.

Таке твердження вважається суперечливим, адже перед замерзанням рідина проходить проміжні температури, але з огляду на температурний градієнт вчені вважали, що на це можна не звертати уваги. Після публікації результатів експериментів у науковому середовищі стало активно обговорюватись явище, яке назвали «ефектом Мпемби».

Пояснення ефекту Мпемби

Відповідь на запитання, чому окріп замерзає швидше за холодну воду, знайшовся не відразу. Тільки через 54 роки і після сотень опублікованих праць вчені дійшли остаточної думки. 2013 року за найкраще пояснення ефекту Мпемби англійське Королівське хімічне товариство пообіцяло премію в тисячу фунтів.Її отримав хорватський учений Нікола Брегович, який описав та проаналізував усі відомі теорії з цього питання.

Але на цьому історія феномена Мпемби не закінчується. У 2016 році з'явилася нова публікація, в якій група вчених спростувала цей феномен, доводячи похибку у дослідженнях. А ще через рік американські та китайські вчені запропонували нове пояснення, пов'язане із кластерною структурою води та особливостями водневих зв'язків.

Основні наукові теорії

Пояснити, чому окріп замерзає швидше за холодну воду, намагалися багато вчених протягом довгих років. З цього приводу висуваються такі теорії.

Випаровування

Одна з перших теорій полягала в тому, що гаряча вода швидше випаровується, замерзаючи у повітрі та утворюючи лід на поверхні. Зважуючи воду до заморозки і після цього, вчені визначили, що втрата ваги не перевищувала 3%. Це досить невелика зміна ваги, яка не здатна сильно прискорити заморожування.

До того ж, проблема полягала в складності практичного доказу, адже герметизація ємності з водою призводила до того, що змінювалося не тільки випаровування, а й рух теплових потоків.

Розчинені гази

Коли температура води підвищується, розчинність газів у ній зменшується. Деякі дослідники бачили причину швидкого замерзання води саме у цьому. Однак після багатьох досліджень було доведено, що різниця температур замерзання дуже мала, а концентрація газів у рідині не впливає на її переохолодження.

Конверсія та градієнт тепла

Коли воду поміщають у морозилку, рідина з верху і біля стінок судини першої починає контактувати з навколишнім холодом, завдяки чому швидко охолоджується.Усередині вода деякий час зберігає свою температуру, через що в посудині з'являється різниця температур — температурний градієнт. Саме через нього відбувається перенесення тепла, і що більше градієнт, то активніша конвекція. Таким чином, чим більша температурна різниця, тим інтенсивніше йде теплообмін, що призводить до охолодження.

Водневі зв'язки

2017 вважається зупинкою роздумів, коли питання швидкого замерзання гарячої води було вирішено остаточно. Наразі вчені називають головною причиною: особливості водневих зв'язків. Основна аргументація полягає в наступному: коли температура води підвищується, збільшується чисельність сильних водневих зв'язків, а невеликі міцно пов'язані між собою кластери сприяють формуванню правильних кристалічних кристалів льоду під час швидкого охолодження води. Навпаки, вчені також довели, що переохолоджена вода швидше нагрівається, ніж тепла.

Висновок

Ефект Мпемби свідчить, що властивості води далеко не такі очевидні і не так добре вивчені, як здавалося на перший погляд. Вчені висували безліч теорій, щоб пояснити цей парадокс, і сьогодні нарешті дійшли спільної думки. Але попри це питання залишається відкритим, оскільки вода зберігає ще багато неймовірних таємниць.