Почему горячая вода замерзает быстрее холодной?

Иногда горячая вода замерзает быстрее холодной. На этот эффект обращали внимание еще древнегреческие философы, но долгое время он оставался забытым. В поле современной науки его ввел... африканский школьник Эрасто Мпемба. В 1963 г. он обратил внимание на то, что горячая смесь мороженого застывает быстрее холодной, а в 1969 г. опубликовал статью, посвященную феномену, который впоследствии так и назвали – эффектом Мпембы.

С тех пор было выдвинуто несколько гипотез, объясняющих этот парадокс по отдельности или вместе. Во-первых, горячая вода быстрее испаряется, тем самым уменьшая свой объем и ускоряя замерзание. Во-вторых, на холодной воде может быстро образовываться тонкий замерзший слой, который изолирует ее и снижает скорость охлаждения остального объема. В-третьих, роль такого изолятора (в случае с мороженым) может играть слой изморози на стенках морозильной камеры. Горячая вода растапливает его, чем обеспечивается лучший контакт с холодными стенками и более быстрое охлаждение. Наконец, свою роль могут играть растворенные в воде вещества. В горячей воде растворение идет лучше, и при охлаждении в ней появляется больше центров кристаллизации, облегчающих замерзание.

Впрочем, что же именно происходит, до сих пор не было известно. Работу Мпембы подхватили физики сингапурского Наньянского технологического университета во главе с Си Чзаном (Xi Zhang). Им, наконец, удалось объяснить парадокс, связав его со свойствами самой воды.

Вспомним, что молекула воды состоит из атома кислорода, который с помощью ковалентной связи удерживает два атома водорода. Кислород частично оттягивает на себя электроны от водородов, так что молекула представляет собой слабый «магнит». В результате отдельные молекулы воды в жидкости слабо притягиваются друг к другу, связываясь водородной связью – прочность ее примерно в 18 раз ниже, чем у ковалентной связи.

По мнению сингапурских ученых, дело именно в водородных связях. Чем плотнее друг к другу находятся молекулы воды, тем сильнее их межмолекулярные взаимодействия деформируют ковалентные связи внутри самих молекул. А вот если воду нагреть, расстояние между связанными молекулами слегка увеличивается. Это приводит к тому, что ковалентные связи внутри молекул релаксируют, отдавая лишнюю энергию и тем самым переходя на более низкий энергетический уровень. В результате горячая вода уже сделала свой первый шаг к ускоренному охлаждению. Во всяком случае, теоретические расчеты, проведенные командой Си Чзана, подтверждают эту версию.