Напечатать 
На прошлой неделе исследователи из Школы электротехники и электроники Наньянского технологического университета в Сингапуре предложили, возможно, самое правдоподобное объяснение эффекта Мпембы.
Вы, вероятно, уже слышали, что горячая вода замерзает быстрее холодной — это эффект Мпембы. Я помню, как моя старшая сестра рассказывала мне об этом, когда мы были детьми. Я не поверил ей тогда и продолжал не верить много лет. Это такая вещь, которая похожа на сказку старых жен.
Но давайте проясним одну вещь: на самом деле нет никаких споров о том, что эффект Мпембы существует. Он наблюдался в ходе многочисленных контролируемых экспериментов.* Аристотель впервые отметил его существование, когда писал о том, как рыбаки на льду нагревают воду, чтобы она быстрее замерзла, более двух тысячелетий назад. Эффект назван в честь танзанийца Эрасто Мпемба, который, будучи учеником средней школы в 1963 году, заметил, что горячие смеси для мороженого замерзают быстрее, чем холодные. Его вопрос приглашенному лектору доктору Денису Г. Осборну: «Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды, один при температуре 35 °C (95 °F), а другой при 100 °C (212 °F), и поместить их в морозильную камеру, то первым замерзнет тот, который был при температуре 100 °C (212 °F). Почему?» сначала высмеивали, но Осборн позже воспроизвел результаты Мпембы и в соавторстве с ним написал статью, объясняющую наблюдения в 1969 году.
*И нет, ваш приятель, который говорит: «Однажды я наполнил лоток с кубиками льда горячей водой, а другой — холодной, и холодная замерзла быстрее», не считается контролируемым экспериментом.
Это совершенно контринтуитивно и, похоже, нарушает основные законы термодинамики. Чтобы было понятно, мы говорим о том, что при определенных условиях общее время, необходимое для замерзания объема теплой воды, будет меньше, чем общее время, необходимое для замерзания равного объема холодной воды при точно такой же внешней температуре. Это действительно странная вещь. Я имею в виду, что в какой-то момент процесса теплая вода не достигает точно такого же начального состояния, как и холодная? А если так, то почему холодная вода, которая недавно была горячей, замерзает быстрее, чем холодная? В течение десятилетий этот вопрос заставлял людей ломать голову или прямо отрицать его существование.
С тех пор было выдвинуто множество объяснений, чтобы попытаться объяснить этот феномен, но ни одно из них не стало более чем правдоподобной теорией. Вот несколько из них:
Теория: Конвекционные течения в теплой воде, вызванные большой разницей температур, заставляют ее охлаждаться быстрее, и эти конвекционные течения продолжаются даже после того, как вода опускается до той же температуры, что и более холодная вода, что позволяет ей обгонять более холодную воду в замерзании*.
*Проблема: Вода — довольно вязкий материал, и подобные конвекционные потоки не будут продолжаться в течение времени, необходимого для охлаждения воды.
Теория: Горячая вода испаряется. Меньшее количество оставшейся воды означает меньшее количество воды для замерзания.**
**Проблема: Даже с учетом испарения горячая вода, по наблюдениям, замерзает быстрее холодной.
Теория: Горячая вода создает конвекцию в воздухе внутри морозильной камеры, что повышает эффективность охлаждения.***
***Проблема: Можно провести эксперимент с горячими и холодными подносами в одной морозильной камере и все равно заметить, что теплый поднос замерзнет быстрее, чем холодный.
Теория: Холодная вода замерзает в верхнем слое, создавая изоляцию и не позволяя остальной воде быстро охлаждаться.****
****Проблема: Горячая вода также образует этот слой инея.
Экспериментальные проблемы велики, потому что существует так много переменных, которые необходимо контролировать — помимо начальных температур, есть также форма морозильной камеры, объем и форма контейнера, изоляционные свойства контейнера, растворенные твердые вещества в воде и т.д. До появления статьи на прошлой неделе наиболее правдоподобной была работа заинтересованного обывателя Джеймса Браунриджа, который предположил, что нагревание воды изменяет природу ее примесей, что, в свою очередь, изменяет ее точку замерзания (он заметил, что большинство воды переохлаждается после 0°C и начинает кристаллизоваться только при температуре значительно ниже этой).
В новой работе утверждается, что на самом деле существует химическое объяснение этого эффекта, причем такое, которое математически соответствует наблюдаемым данным — насколько мне известно, это первое объяснение, способное сделать это.
Молекулы воды состоят из двух молекул водорода, присоединенных к молекуле кислорода в основном посредством прочных ковалентных связей. Обычно ковалентные связи размягчаются и удлиняются при нагревании. Но в воде из-за уникальных свойств водородных связей — взаимодействия между атомами водорода в одной молекуле воды и молекулой кислорода в соседней молекуле — происходит обратный эффект. Когда вода поглощает энергию, водородные связи растягиваются (в результате чего отдельные молекулы воды удаляются друг от друга), но ковалентные связи внутри каждой молекулы становятся короче и жестче — то же самое происходит, когда вода замерзает.
Таким образом, на индивидуальном молекулярном уровне нагретая вода больше похожа на замороженную, чем первоначальная более холодная вода. Что еще более важно, скорость высвобождения энергии в этих сократившихся ковалентных связях зависит экспоненциально от того, сколько энергии было первоначально запасено. По сути, в горячей воде энергия закручена как пружина, которая высвобождается, когда вы начинаете ее охлаждать, что позволяет ей быстрее остывать и замерзать.
Здорово, да?
Вы можете прочитать подробности в полном тексте статьи здесь, с совершенно непонятными диаграммами и графиками.
