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 на 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 Деніссом Осборн, професор фізики, який свого часу заїхав у ту ж школу, де навчався Ераста, експериментально підтвердив наявність такого ефекту, хоча й пояснення тоді цьому 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.

Питання виникало давно

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

Умови для того, щоб відбувся 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 протікання даного процесу?

Зараз, в 21 столітті, висунуто кілька варіантів, які можуть пояснити даний парадокс. Те, яка вода замерзає швидше, гаряча або холодна, може залежати від того, що у гарячої води є велика, 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 знизу вгору. При цьому виходить, що холодна вода, маючи зверху холодну прошарок з вже 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 тепловипромінювання не є, 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 у 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 має, тоді є можливість у гарячої води замерзнути раніше. Пояснюється це тим, що розчинені речовини у воді створюють центри кристалізації, і при малій кількості цих центрів перетворення води на тверде стані утруднено. Можливо навіть переохолодження води, в тому плані, що при мінусовій температурі вона знаходитиметься 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 у Сінгапурі заявила, що їм вдалося розгадати вікову загадку. Група з китайських вчених стверджує, що секрет даного 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 молекулам, 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 якраз 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 більшого вивільнення при охолодженні до мінусових температур, відбувається швидше, ніж у холодній воді, у якої запас такої енергії менше. Так яка вода замерзає швидше - холодна або гаряча? На вулиці і в лабораторії повинен відбуватися парадокс Мпемби, і гаряча вода повинна перетворюватися на лід швидше.

Але питання все ще відкрите

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